EP3039418B1 - Verfahren und vorrichtung zur analyse eines magnetische partikel umfassenden probenvolumens - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur analyse eines magnetische partikel umfassenden probenvolumens Download PDF

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EP3039418B1
EP3039418B1 EP14758123.5A EP14758123A EP3039418B1 EP 3039418 B1 EP3039418 B1 EP 3039418B1 EP 14758123 A EP14758123 A EP 14758123A EP 3039418 B1 EP3039418 B1 EP 3039418B1
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EP
European Patent Office
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sample volume
measurement
signal
coil
magnetic
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EP3039418A1 (de
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Florian Fidler
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1223—Measuring permeability, i.e. permeameters
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/0515—Magnetic particle imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/74—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids
    • G01N27/745—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids for detecting magnetic beads used in biochemical assays
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1276—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids of magnetic particles, e.g. imaging of magnetic nanoparticles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for analyzing a sample volume comprising magnetic particles.
  • Nanoparticles with magnetic properties are widely used in technology and medicine. They can be used as markers for certain properties, such as cell vitality, as contrast agents or as tracers to show flow or vessels.
  • the magnetic properties can be measured indirectly or directly.
  • the U.S. 2012/0164916 A1 , the WO2008145813 A1 and the WO 2007/122293 A1 disclose devices for sensing a concentration of magnetic particles.
  • a series connection of two coils is used for this purpose.
  • An AC voltage is applied to the outer terminals of the series circuit as an excitation signal and a node between the two coils serves as a measurement interface.
  • MRT magnetic resonance imaging
  • the proof is usually based on the changed relaxation properties of the surrounding protons.
  • this makes it possible to determine the properties of the contrast medium, but also to carry out a localization.
  • particles and contrast media with magnetic properties including a number of functionalized particles. They are provided with special surface coatings and/or binding links, e.g. B. to bind to specific cells. If such bonds take place, the particles are localized on the targets, but their properties can also change, for example, through cluster formation.
  • This method is based on the fact that the magnetization of the particles in an external alternating magnetic field only shows non-linearities for small field strengths, but reaches saturation for large field strengths, which then shows a linear behavior.
  • the field-free point Via an additional field with a correspondingly large magnetic field, which is shaped in such a way that it only has a very small field or is field-free in a small area, the field-free point (FFP), only the particles in this field-free point show a non-linear magnetization behavior.
  • the proof is provided by measuring the magnetization of the particles.
  • This object is achieved by a method and a device for analyzing a sample volume comprising magnetic particles according to the main claims 1 and 7 .
  • the approach described is suitable as a detection method for magnetic particles.
  • the particle properties can be localized and additionally or alternatively measured by measuring the magnetic permeability.
  • the use of a single coil is sufficient, which can be used both to generate a magnetic excitation field acting on a sample volume and to obtain information about a magnetic permeability of the sample volume.
  • the presence of at least one magnetic particle in the sample volume can be inferred from the information about the magnetic permeability of the sample volume.
  • a method for analyzing a sample volume comprising magnetic particles comprises the steps according to independent claim 1.
  • the sample volume can be understood to mean an area to be analyzed or a sample itself.
  • the sample volume can also include an area to be analyzed.
  • the sample volume can be arranged inside the measuring coil, directly adjacent to the measuring coil or at a distance from the measuring coil.
  • a magnetic particle can be understood to mean magnetic material that can be introduced into the sample volume, for example as a sample.
  • the measuring coil can have one or a plurality of coil windings.
  • the coil can have a suitable shape, for example a cylindrical shape.
  • the coil can be connected in a suitable circuit, for example a bridge circuit.
  • the excitation signal can be applied directly to the measuring coil or via one or more elements to the measuring coil.
  • the excitation signal can be an alternating signal.
  • the magnetic field can be an alternating field.
  • the excitation signal can be an AC voltage or an alternating current.
  • the measurement signal can represent an electrical voltage.
  • Such a measurement signal can be detected by a voltage measurement.
  • a voltage drop across the coil can be detected.
  • the measurement signal can also represent an electric current.
  • Such a measurement signal can be detected by a current measurement, for example by measuring the current flowing through the coil.
  • the steps of acquiring the measurement signal and applying the excitation signal can be carried out simultaneously.
  • the steps of recording and creating can be carried out over a longer period of time.
  • the measurement signal can be detected, for example, while the excitation signal is running through one or more oscillation phases.
  • the inductance of the coil depends on the magnetic permeability of the sample volume. Changes the magnetic
  • the permeability of the sample volume changes the inductance of the measuring coil.
  • the measurement signal can thus indicate the magnetic permeability or a change in the magnetic permeability of the sample volume.
  • the step of analyzing the magnetic permeability of the sample volume can thus include an evaluation of a size, a change or a time profile of the measurement signal. By evaluating the measurement signal, information about the magnetic permeability of the sample volume can be obtained.
  • the magnetic permeability of the sample volume can be understood as the ratio of the magnetic flux density within the sample volume to the magnetic field strength within the sample volume.
  • the information about the magnetic permeability can in turn be used to analyze a magnetic property of the matter located within the sample volume, for example to detect at least one magnetic particle in the sample volume.
  • the steps of the method can be performed to measure the permeability of the sample volume.
  • the magnetization curve of the sample volume can be determined from the resulting permeability curve of the sample volume. In this way, both linear and non-linear magnetization curves can be determined.
  • the method can include a step of comparing the measurement signal with a reference signal.
  • the reference signal can be a reference voltage, but it can also be a reference current, for example.
  • the magnetic permeability of the sample volume can be determined by the comparison.
  • the reference signal can represent a further electrical measurement signal that is dependent on the inductance of the measurement coil, while the measurement coil generates a magnetic field that acts on a reference volume.
  • the reference volume can contain a reference sample, for example air.
  • the measurement signal and the reference signal can be recorded at different times using the same measurement coil, once while the magnetic field is acting on the sample volume (to determine the measurement signal) and once while the magnetic field is acting on the reference volume (to determine the reference signal). At both times the measuring coil can be excited by the same excitation signal.
  • the reference volume can be filled with a material having a known magnetic property, for example with air.
  • the Sample volume can be understood, for example, as a volume in which a sample is located, and the reference volume can be understood to mean the same volume in which, however, there is no sample.
  • the reference signal can be acquired once and then stored.
  • the measurement signal can be compared with a stored reference signal.
  • the comparison can be carried out by a suitable link between the measurement signal and the reference signal.
  • the magnetic permeability can be determined based on a difference between the measurement signal and the reference signal and a magnetic permeability associated with the reference signal.
  • the magnetic permeability of the sample volume can be determined very easily.
  • a first contact of the measuring coil via a first element with a first connection for applying the electrical excitation signal, a second contact of the measuring coil via a second element with a second connection for applying an electrical adjustment signal and the second contact of the measuring coil can be connected to a measuring interface.
  • the elements can be, for example, vias, resistors, capacitors or inductors. An element can also represent a series connection and/or parallel connection of several elements.
  • the excitation signal can be applied to the first connection and the adjustment signal can be applied to the second connection.
  • the measurement signal can be acquired at the measurement interface.
  • the calibration signal can represent a signal for which a reference voltage is present at the measurement interface when the magnetic field generated by the measurement coil acts on a reference volume.
  • the reference voltage can have a specific voltage value, for example zero volts.
  • a value or profile of the adjustment signal can have been determined during a reference measurement, in which the magnetic field of the measuring coil acts on the previously mentioned reference volume. This makes it possible to use very simple circuits for providing the excitation signal and the adjustment signal for analyzing the sample volume.
  • a first contact of the measuring coil via a first element with a first connection for applying the electrical excitation signal a second contact of the measuring coil via a second element with a second connection for applying an electrical adjustment signal and the second contact of the measuring coil connected to a measuring interface.
  • the excitation signal is applied to the first connection and the adjustment signal is applied to the second connection.
  • the acquisition step the adjustment signal is acquired as the measurement signal.
  • the calibration signal is designed to set a predetermined reference voltage at the measurement interface, regardless of whether the magnetic field generated by the measurement coil acts on the sample volume or a reference volume.
  • the adjustment signal is thus continuously readjusted in order to set the specific reference voltage.
  • the reference voltage can be zero volts.
  • no reference measurement is required in this way.
  • the method can include a step of applying a further electrical excitation signal to a further measuring coil in order to generate a further magnetic field acting on a further sample volume using the further measuring coil. Furthermore, the method can include a step of detecting a further electrical measurement signal dependent on the inductance of the further measurement coil. In this case, the further measurement signal can enable an analysis of the magnetic permeability of the further sample volume due to the dependence of the inductance of the further measuring coil on the magnetic permeability of the further sample volume.
  • the two sample volumes can be identical, overlap at least partially, or not overlap. If the sample volumes overlap at least partially, a sample can be analyzed very precisely. For example, a spatial distribution of magnetic material within the sample can be analyzed.
  • the method can include a step of determining a distribution of the magnetic particles in the sample volume and the further sample volume using the measurement signal, the further measurement signal and information about a position of the sample volume, a position of the further sample volume, information about a characteristic of the excitation signal and information about include a characteristic of the further excitation signal.
  • a spatial distribution of the magnetic particles can be determined by a suitable choice of the characteristics of the excitation signals.
  • the method can include a step of subjecting the sample volume and the further sample volume to an additional magnetic field. Furthermore, the method can include a step of determining a distribution of the magnetic particles in the sample volume and the further sample volume using the measurement signal, the further measurement signal and information about a characteristic of the additional magnetic field in the sample volume and the further sample volume. There is thus another possibility to determine the spatial distribution of the magnetic particles.
  • the method can have a step of subjecting the sample volume to an inhomogeneous additional magnetic field.
  • a distribution of the magnetic particles in the sample volume can be determined using the measurement signal and information about a local profile of the additional magnetic field within the sample volume.
  • the information about the local profile can include, for example, information about a position of a section of the additional magnetic field that has a low magnetic field strength.
  • the steps of applying and detecting as well as applying can be carried out several times, it being possible for the local course of the additional magnetic field to be changed in the repeated steps of applying the sample volume.
  • the distribution of the magnetic particles can be determined using the measurement signals detected in the multiple steps of detection and information about a change in the local profile of the additional magnetic field during the multiple steps of impingement.
  • successive steps of detection can each be carried out with a different local profile of the additional magnetic field.
  • a spatial distribution of the magnetic permeability or a spatial distribution of the magnetic particles within the sample volume can be determined, for example.
  • a device for analyzing a sample volume comprising magnetic particles has the features according to independent claim 7 .
  • Such a device is suitable for implementing the steps of the method mentioned for analyzing a sample volume comprising magnetic particles.
  • the sample volume can be arranged inside the measuring coil. In this way, for example, a sample arranged in a test tube can be analyzed. Alternatively, the sample volume can be arranged outside of the measuring coil.
  • the device can have a coil core that is guided through the measuring coil.
  • one end of the coil core can be designed as a tip for application to the sample volume.
  • the tip allows the magnetic field of the measuring coil to be concentrated on the sample volume.
  • the coil core can be used to bridge a spatial distance between the coil and the sample volume.
  • the device has an evaluation device.
  • the evaluation device is designed to determine the magnetic permeability of the sample volume using the measurement signal.
  • the magnetic permeability of magnetic particles enables both the analysis of the particles themselves and their surroundings.
  • a first contact of the measuring coil via a first element with a first connection for applying the electrical excitation signal a second contact of the measuring coil via a second element with a second Connection for applying an electrical adjustment signal and the second contact of Measuring coil connected to the measuring interface.
  • the measuring coil can be integrated into a suitable bridge circuit.
  • the first element can be a capacitor or an electrical feedthrough.
  • the second element may be a resistor, an inductor, or an electrical feedthrough.
  • the device can have a further measuring coil.
  • the further measuring coil can be designed to generate a further magnetic field acting on a further sample volume in response to the application of a further electrical excitation signal to the further measuring coil.
  • the device can also have a further measurement interface for detecting a further electrical measurement signal dependent on the inductance of the further measurement coil.
  • the further measurement signal can enable an analysis of the magnetic permeability of the further sample volume due to the dependence of the inductance of the further measuring coil on the magnetic permeability of the further sample volume.
  • the sample volumes can be different or at least partially identical. The sample volume and the further sample volume can thus at least partially overlap. Using the additional measuring coil, for example, a sample volume can be analyzed more precisely or a larger sample volume can be analyzed than using only one measuring coil.
  • the device can have two, three or more measuring coils.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 for analyzing a sample volume 102 comprising magnetic particles according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the device 100 has a measuring coil 104 .
  • the block 104 shown can represent the measuring coil or a circuit comprising the measuring coil, for example a bridge circuit. If an excitation signal 106, for example an electrical voltage or an electrical current, is applied to the measuring coil 104 via an interface during an analysis process, a magnetic field 108 is generated by the measuring coil 104.
  • an excitation signal 106 for example an electrical voltage or an electrical current
  • the measuring coil 104 and the sample volume 102 are aligned with one another in such a way that the magnetic field 108 acts on the sample volume 102, for example penetrates it.
  • the sample volume 102 can also be understood as a sample.
  • the inductance of the measuring coil 104 is dependent on the magnetic permeability of the sample volume 102.
  • the magnetic permeability of the sample volume 102 can thus be inferred from the inductance of the measuring coil 104.
  • the measuring coil 104 has a measuring interface for detecting an electrical measuring signal 110 dependent on the inductance of the measuring coil 104 .
  • the inductance of the measuring coil 104 and thus the magnetic permeability of the sample volume 102 can be determined via the measuring signal 110 .
  • device 100 has an evaluation device 112 for evaluating electrical measurement signal 110 .
  • the evaluation device 112 is designed to receive the measurement signal 110 and based on that Measurement signal 110 to determine and provide an analysis result regarding the sample volume 102 .
  • the evaluation device 112 can be designed to determine a value of the magnetic permeability or a value dependent on the magnetic permeability of the sample volume 102 .
  • the measuring coil 104 and the evaluation device 112 can be arranged within a common housing. Alternatively, the measuring coil 104 and the evaluation device 112 can be arranged in separate housings.
  • the device 100 can have an interface for providing the measurement signal 110 to an external evaluation device 112 .
  • the device 100 can be implemented both with and without the evaluation device 112 .
  • the evaluation device 112 is designed to carry out the analysis of the sample volume 102 using a reference signal.
  • the reference signal can represent a stored measurement signal that maps the inductance of the measurement coil 104 during an analysis process, during which the sample volume 102 corresponds to a reference volume.
  • the evaluation device 112 is designed to carry out the analysis of the sample volume 102 using a calibration signal.
  • the adjustment signal can correspond to a signal provided to the measuring coil or to a circuit comprising the measuring coil during the analysis process.
  • device 100 has an excitation device 114 for providing excitation signal 106 .
  • the excitation device 114 can be embodied as a current source or a voltage source, for example.
  • the measuring coil 104 and the excitation device 114 can be arranged within a common housing. Alternatively, the measuring coil 104 and the excitation device 114 can be arranged in separate housings.
  • the device 100 can have an interface for receiving the excitation signal 106 from the excitation device 114 .
  • the device 100 can be implemented both with and without the excitation device 114 .
  • the device 100 can comprise the sample volume 102, for example a receptacle, for example a container, for a sample, or the sample volume 102 can be arranged adjacent to the device 100.
  • the sample volume 102 adjacent to the measuring coil 104 is the sample volume 102 adjacent to the measuring coil 104, arranged outside of the device 100 or can be arranged.
  • the sample volume 102 can be arranged in the extension of a longitudinal axis of the measuring coil, which is designed as a cylindrical coil, for example.
  • the sample volume 102 can be moved towards the device, or vice versa.
  • the analysis process is based on measuring the magnetic permeability of the sample 102 or the sample volume 102.
  • the parameter in the form of the magnetic permeability is advantageous because it allows a particularly suitable design of the measuring apparatus 100.
  • the magnetic permeability of the sample 102 is measured by measuring the inductance of the measuring coil 104 .
  • an alternating magnetic field 108 of a specific strength is generated by the measuring coil 104 and either current or voltage is now measured on this coil 104 .
  • the magnetic permeability of the sample 102 at the field strengths through which the alternating field 108 passes can be determined from this.
  • This variation can e.g. B. be a spatially swept wave where the phase of a sinusoidal excitation varies over space.
  • the sample volume can be exposed to an additional inhomogeneous magnetic field.
  • This can be used for an imaging procedure.
  • the additional magnetic field is implemented in such a way that it has a very small field within the sample volume, or has a field-free point, and is large at all other points of the sample volume, for example so large that there is saturation of particles located there causes. Particles that are saturated by the large additional magnetic field do not change their magnetic flux significantly with field variations through the sensing coil 104 .
  • the measurement signal 110 can therefore be assigned to the area of the sample volume 102 in which the additional magnetic field has the low field strength.
  • the permeability of the sample volume 102 is continuously measured using the measuring coil 104, ie measuring signals 110 are recorded, while the field-free point of the additional magnetic field is moved mechanically or electrically. In this way, an image can be scanned.
  • the spatial distribution of magnetic particles in the sample volume 102 can thus be determined.
  • an additional magnetic field can be used for this purpose, the spatial profile of its magnetic field strength within the sample volume 102 having a first section with a low magnetic field strength and a second section with a higher magnetic field strength than the first section.
  • the spatial position of the two sections within the sample volume 102 is changed during an analysis period. This leads to a local change in the magnetic permeability of the particles within the sample volume 102.
  • a plurality of measurement signals 110 are recorded, which depend on the change in the spatial position of the sections of the additional magnetic field.
  • information about the spatial distribution of the magnetic particles within the sample volume 102 can be determined.
  • the information about the spatial distribution can be used, for example, by an imaging method in order to determine a pictorial representation of the spatial distribution of the particles within the sample volume 102 .
  • the information about the spatial distribution can be determined by the evaluation device 112, for example.
  • evaluation device 112 can be designed to combine information about the change in the additional magnetic field, for example information about a temporal and spatial progression of the position of the first section, for example a field-free point of the additional magnetic field, with the plurality of measurement signals 110.
  • each of the plurality of measurement signals 110 can be assigned the current position of the first section of the additional magnetic field at the time a measurement signal 110 is recorded. A position within the sample volume 102 can thus be assigned to each of the measurement signals 110 .
  • the additional magnetic field can be generated, for example, by a device for generating the additional magnetic field, as in figure 5 is shown.
  • a local measurement with a locally sensitive coil 104 can also be used to detect particles.
  • Magnetic permeability differs from magnetization as used in Magnetic Particle Imaging (MPI). So it is usually impossible there to use the information on the excitation frequency. At high field strengths, no signal is used there either, since the particles are saturated here and the magnetization therefore does not change.
  • MPI Magnetic Particle Imaging
  • a described device is placed in a very strong field, such as in an MRI scanner, particles have a magnetic permeability that can be measured, but the magnetization does not change when the field strength is varied.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device 100 for analyzing a sample volume 102 comprising magnetic particles according to a Embodiment of the present invention.
  • the device 100 can be the in 1 correspond to the device shown, with the difference that the sample volume 102 according to the in 2 shown embodiment is arranged or can be arranged in the interior of the measuring coil 104, that is, for example, surrounded by a plurality of windings of the measuring coil 104.
  • the sample volume 102 can be introduced into the interior of the measuring coil 104 .
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 for analyzing a sample volume 102 comprising magnetic particles according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the device 100 can be the in 1 correspond to the device shown, with the difference that a coil core 320 is guided through the measuring coil 104, and the sample volume 102 according to the in 3 shown embodiment is arranged at one end of the coil core 320 or can be arranged.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 for analyzing a sample volume 102 comprising magnetic particles according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the device 100 can be the in 1 correspond to the device shown, with the difference that the device 100 has a further measuring coil 404 and the sample volume 102 is arranged or can be arranged between the two measuring coils 104, 404.
  • the measuring coils 104 , 404 can have a common longitudinal axis that runs through the sample volume 102 .
  • a further magnetic field 408 is generated by the further measuring coil 404.
  • the further measuring coil 404 and the sample volume 102 are aligned with one another in such a way that the further magnetic field 408 acts on the sample volume 102, for example penetrates it.
  • the inductance of the further measuring coil 404 is dependent on the magnetic permeability of the sample volume 102.
  • the magnetic permeability of the sample volume 102 can thus be inferred from the inductance of the further measuring coil 404.
  • the device 100 has a further measurement interface for detecting one of the inductance of the further measuring coil 404 dependent further electrical measurement signal 410 on.
  • the inductance of the further measuring coil 404 and thus the magnetic permeability of the sample volume 102 can be determined via the further measurement signal 410 .
  • the evaluation device 112 which in turn can be implemented as an internal or external device in relation to the device 100 , is designed to detect the two electrical measurement signals 110 , 410 and to analyze the sample volume 102 . To evaluate the measurement signals 110, 410, the evaluation device 112 can also receive information about the excitation signals 106, 406 and use it to evaluate the measurement signals 110.
  • the excitation device 114 is designed to generate the excitation signals 106, 406 and to provide them to the measuring coils 104, 404. According to one exemplary embodiment, the excitation device 114 is designed to provide the excitation signals 106, 406 with different characteristics, for example different phases. Information about the characteristics of the excitation signals 106, 406 can be provided by the excitation device 114 to the evaluation device 112 via an interface.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 for analyzing a sample volume 102 comprising magnetic particles according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the device 100 can be the in 4 correspond to the device shown, with the difference that the measuring coils 104, 404 are arranged next to one another according to this exemplary embodiment, ie, for example, longitudinal axes of the measuring coils 104, 404 run parallel to one another.
  • the further measuring coil 404 is used to analyze a further sample volume 502 .
  • the sensing coils 104, 404 can be used to analyze a common sample volume that includes the sample volumes 102, 502 shown.
  • the evaluation device 112 can be designed to evaluate the sample volumes 102, 502 separately or to generate a spatial distribution of magnetic particles within the common sample volume.
  • the evaluation device 112 can be designed to provide a pictorial representation of the spatial Distribution of the magnetic particles or a representation of the magnetic permeability within the common sample volume 102, 502 to create.
  • the evaluation device 112 can use information about characteristics of the excitation signals 106, 406 and information about positions, for example relative positions, of the sample volumes 102, 502 or the measuring coils 104, 404.
  • the evaluation device 112 can receive information about a characteristic of an additional magnetic field 530 and use it to analyze the sample volumes 102, 505.
  • the additional magnetic field 530 is generated by a device 532 for generating the additional magnetic field 530, for example by an arrangement of one or more magnets or one or more coils.
  • the device 532 can also be part of the device 100 .
  • the additional magnetic field 530 can, for example, as shown in FIG 1 be carried out and used as described.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 for analyzing a sample volume comprising magnetic particles according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a possible interconnection of the measuring coil 104 of the device 100 is shown. Such an interconnection can also be used in the devices 100 shown in the previous figures.
  • the device 100 has a first connection 641 , a second connection 642 and a measurement interface 643 .
  • a first contact of the measuring coil 104 is connected to the first connection 641 via a first element 651, for example a capacitor.
  • a second contact of the measuring coil 104 is connected to the measuring interface 643 and to the second terminal 642 via a second element 652, for example a resistor.
  • An excitation signal 106 can be fed in via the first connection 641.
  • a calibration signal 606 can be fed in via the second connection 642 .
  • the first connection 641 can also be connected to the excitation circuit, for example, which is then designed to also provide the adjustment signal 606 in addition to the excitation signal 106 .
  • a measurement signal is present at the measurement interface 643 during an analysis process of the device 100, as has already been described.
  • the measurement signal can, for example, be recorded and evaluated by an evaluation device 112 in order to analyze the sample volume.
  • the adjustment signal 606 is fed into the second connection 642 during the analysis process in such a way that a predetermined constant reference signal is present at the measurement interface 643 .
  • the adjustment signal 606 can be controlled, for example, by a control device using the signal present at the measurement interface 643 such that the reference signal is present at the measurement interface 643 .
  • the resulting adjustment signal can then be evaluated by the evaluation device 112 as a measurement signal in order to analyze the sample volume.
  • FIG. 7 shows a flowchart of a method for analyzing a sample volume comprising magnetic particles according to an embodiment of the present invention.
  • the method can be used, for example, in connection with a device as described with reference to the preceding figures.
  • a step 701 an electrical excitation signal is applied to a sensing coil. Excited by the excitation signal, the measuring coil is designed to generate a magnetic field that acts on the sample volume. In a step 703, an electrical measurement signal is detected, which depends on the inductance of the measurement coil. In a step 705, a magnetic permeability of the sample volume is analyzed based on the measurement signal.
  • the measurement signal can be analyzed in step 705 using a reference signal.
  • the reference signal can be determined by performing the steps 701, 703 of the method while the magnetic field of the measuring coil acts on a reference volume.
  • the reference signal or a value corresponding to the reference signal can, for example, be stored in a memory device after it has been determined and read out from the memory device.
  • step 701 the excitation signal is applied to the first connection of the device and the adjustment signal is applied to the second connection of the device.
  • step 703 the signal present at the measurement interface is recorded as a measurement signal.
  • the calibration signal to be applied in step 701 can be determined and stored in advance by carrying out steps 701, 703 of the method while the magnetic field of the measuring coil acts on a reference volume.
  • the adjustment signal is set in such a way that a reference signal is present at the measurement interface.
  • the measuring signal differs from the reference signal despite the unchanged excitation signal and adjustment signal if the magnetic permeability of the sample volume differs from the reference volume.
  • the magnetic permeability of the sample volume can thus be deduced from the difference between the reference signal and the measurement signal and with knowledge of the magnetic permeability of the reference volume.
  • the excitation signal is applied to the first terminal of the device and the adjustment signal is applied to the second terminal of the device.
  • the calibration signal is set in such a way that a reference signal is set at the measurement interface.
  • the calibration signal is set in such a way that the reference signal is present at the measurement interface.
  • the calibration signal differs from the calibration signal set for a reference volume, despite the unchanged excitation signal, if the magnetic permeability of the sample volume differs from the reference volume. Knowing the magnetic permeability of the reference volume, the magnetic permeability of the sample volume can be inferred from the deviation between the adjustment signals that are set for the reference volume and the sample volume.
  • the adjustment signal set for the reference volume or a value corresponding to this adjustment signal can be stored in a memory device and read out from the memory device in step 705 of the analysis.
  • the method can be applied using two or more measuring coils to analyze one or more sample volumes.
  • step 701 an electrical excitation signal is provided to a measuring coil and at least one further electrical excitation signal is provided to at least one further measuring coil.
  • step 703 measurement signals dependent on the inductances of the measurement coils are detected and evaluated in step 705 in order to analyze the sample volume or volumes.
  • step 705 information about characteristics of the excitation signals and additionally or alternatively characteristics about one or more additional magnetic fields acting on the sample volume or volumes can flow into the evaluation of the measurement signals.
  • step 705 a spatial distribution of magnetic particles or values of the magnetic permeability within the sample volume or volumes can be determined.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 for analyzing a sample volume comprising magnetic particles according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a possible interconnection of the measuring coil 104 of the device 100 is shown. Such an interconnection can also be used in the devices 100 shown in the previous figures.
  • the device 100 has a first connection 641 , a second connection 642 and a measurement interface 643 .
  • a first contact of the measuring coil (L) 104 is connected to the first terminal 641 via a first element 651, here a capacitor (C).
  • a second contact of the measuring coil 104 is connected to the measuring interface 643 via a line and to the second terminal 642 via a second element 652, here a resistor (R).
  • An excitation signal 106 here in the form of a first AC voltage U1 ⁇ , can be supplied via the first connection 641, for example via a first coaxial line.
  • a calibration signal 606 here in the form of a second AC voltage U2 ⁇ , can be supplied via the second connection 642, for example via a second coaxial line.
  • the measurement signal already described or the reference signal already described can be tapped off between the measurement interface 643 and a ground connection 845 of the device 100 .
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 for analyzing a sample volume comprising magnetic particles according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the device 100 has a measuring coil with a coil core 320, as is the case, for example, with reference to FIG 3 is described.
  • the coil core 320 is configured as a cylindrical rod having a flat end at one end and a pointed end at the other end.
  • the tip is guided into a sample volume 102 or pointed at the sample volume 102 .
  • the magnetic field lines of the magnetic field 108 are concentrated on the sample volume 102 by the tip of the coil core 320 .
  • the device 100 has, for example, two electrical lines for power supply or for supplying or reading out signals.
  • the exemplary embodiments are based on a measurement of the magnetic permeability.
  • the magnetic permeability as the property of conducting a magnetic field in matter, is directly accessible via the inductance of the coil 104 that generates an alternating field.
  • This enables an advantageous construction of such a measuring device 100.
  • it consists of a single coil 104, which generates a magnetic field 108 of a specific strength in a measuring volume 102 when an AC voltage 106 is applied.
  • the inductance of the coil 104 now depends directly on the magnetic permeability and can be determined by a simple current or voltage measurement, for example using the measurement signal 110 .
  • the measured voltage signal 110 With suitable electrical wiring, such as a bridge circuit in combination with a voltage measurement, it is easily possible to set the measured voltage signal 110 in such a way that the measured voltage 110 only corresponds to the change in voltage 110 that occurs when a sample is introduced into the sample volume 102 and thus by changing the magnetic permeability.
  • the dynamic range of a voltmeter of voltage 110 can be used for the relevant information.
  • such a measuring bridge consists of a coil 104, which can generate a field in the sample volume 102, and an electrical resistor 652.
  • the voltage applied to the measuring coil 104 via the excitation signal 106 is selected such that the selected magnetic field 108 is generated there .
  • the voltage applied to the bridge resistor 652 via the adjustment signal 606 is correspondingly selected such that in the simplest case, no voltage 110 drops across the voltmeter without a test. If a sample is now introduced into the volume 102 of the measuring coil 104, the magnetic permeability of the sample can be determined from the voltage profile 110 as a function of the magnetic field strength of the field 108 applied. From this, the presence and the properties, for example the amount of substance, of the magnetic material in the sample volume 102 can be inferred.
  • the voltage U1 ⁇ 106 is selected in such a way that a suitable alternating magnetic field 108 is generated in the coil 104 .
  • the inside 8 Capacitor 651 shown is not necessary in principle, but a good option for the To reduce reactance, so that a large current can be generated at low voltage.
  • a sinusoidal voltage at a frequency e.g. B. 20kHz, suitable.
  • the field 108 this creates is ideally greater than 5mT at the peak, and can go up to a few 100mT.
  • the voltage U2 ⁇ 606 is selected over time in such a way that when the measuring coil 104, i.e. empty sample volume 102, is empty, a voltage of 0V is generated.
  • the adjustment voltage 606 is also a sinusoidal voltage of a specific level and a specific phase compared to the voltage U1 ⁇ 106. If a magnetizable sample is now introduced into the coil 104 or brought close to the coil 104, a voltage curve results at the output 643, which is dependent on the magnetic permeability of the sample in the sample volume 102.
  • a measuring bridge such as that used in 8 shown has two main modes of operation, bridge balancing and bridge voltage measurement.
  • the time-dependent voltage at the resistor is set in such a way that the bridge voltage at the measurement interface 643 is always zero.
  • the actual measurement signal 110 is now the difference between the voltage across the resistor 652 with and without a sample in the sample volume 102.
  • the voltage across the resistor 652 is set in such a way that when the measuring coil 104 is empty, ie, the sample volume 102 is empty, the bridge voltage at the measuring interface 643 becomes zero.
  • the measured bridge voltage is now the actual measurement signal 110.
  • This measuring arrangement can also be implemented in other embodiments.
  • a current measurement can also be carried out instead of a voltage measurement.
  • a resonant adaptation of the measuring coil 104 to the frequency of the alternating field 108 is advantageous, especially in the case of large measuring volumes 102, so that a lower voltage can be used.
  • the inductor 104 is connected in series with a suitably chosen capacitor 651 .
  • the in 8 The bridge resistor 652 shown can be replaced by a more complex arrangement of coils, capacitors and resistors. In some cases it is advantageous to suppress interference from the surrounding space to choose a coil that is similar to the measuring coil 104 and has an opposite field direction. This arrangement acts like a gradiometer, a voltage signal generated equally in both coils cancels out. More complex arrangements of electrical components can also be connected in parallel or in series with the measuring coil 104 in order to adapt properties such as resonances.
  • a special embodiment of such a measuring system 100 is a coil 104 which encloses a measuring volume 102 and generates a homogeneous alternating field 108 there.
  • Another special arrangement is a measuring coil 104, which can generate a magnetic field 108 in front of a surface that is homogeneous or linear in strength with the distance from the surface.
  • this measuring apparatus 100 is particularly suitable for measuring at the excitation frequency; resonant tuning makes it particularly sensitive at precisely this frequency.
  • this is not a disadvantage, since on the one hand this is valuable information, and on the other hand non-linearities in the magnetic permeability lead to a series of higher harmonics, for which a broadband measurement is then required.
  • resonant tuning to another frequency is only of limited use. Nevertheless, it is not necessary to resonantly tune the measuring coil 104 to the excitation frequency. Instead, tuning can in principle also take place at a different frequency, and a number of known approaches for multi-resonant tuning of coils are also available.
  • the particles are localized within the sample volume 102 by one or a combination of the following mechanisms.
  • the coil 104 is only locally sensitive, this can be used to determine the particles locally. It should be noted that this construction can be easily miniaturized and so z. B. can be integrated into a catheter. So e.g. B. in blood vessels so a local measurement of magnetic particles.
  • a particular extension is the possibility of using one or more magnetically conductive cores 320 in this measuring arrangement 100 for conducting the field 108 to another location.
  • a needle made of a ferromagnetic material into the coil 104, as shown in FIG 9 is shown.
  • the coil 104 now generates a moderate magnetic flux in the core 320, which can be kept below saturation, but a high flux at the needle tip.
  • Magnetizable particles that are located in the area 102 of the needle tip now generate a particularly high response signal since the magnetization is greatest here. A microscope can thus be realized.
  • the in 9 Arrangement shown a high local field in the indicated area, which can serve as a sample volume 102.
  • a further measuring arrangement that can be used in addition is not shown.
  • Particles can be localized using a device 100, as is described with reference to the figures, via an array arrangement of individual measuring coils 104, 404.
  • the array in the simplest case, z. B. in a two-dimensional measurement on an object surface, so that the individual elements with the individual measurement coils 104, 404 measure their own adjoining measurement volumes 102, 502, and an image is calculated from this.
  • the individual elements with the individual measurement coils 104, 404 can be arranged in such a way that the individual measurement takes place in overlapping volumes 104, 404.
  • a locally different, time-dependent magnetic field can be formed here through a suitable field profile of the fields 108, 408 of the individual coils 104, 404, such as homogeneous excitation fields or excitation field gradients in combination with an individual or the same frequency, amplitude and phase of the excitation voltage, which varies in amplitude and /or phase differs.
  • An image can be calculated from this by a suitable combination of excitation patterns.
  • a simple example for Clarification are z. B.
  • the magnetic permeability (generally a complex value) of a point sample now shows (here one-dimensionally) the location between the coils 104, 404 via its phase.
  • Such arrangements can be individually optimized depending on the measurement object, such as the linear arrangement of conductor loops for cylindrical objects for a one-dimensional measurement. With a plurality of such coils 104, 404 lying opposite one another in a three-dimensional arrangement, three-dimensional coding of the location can be carried out accordingly.
  • the magnetic permeability in strong magnetic fields is a measurable variable and can also be used here for particle detection and characterization.
  • localization and characterization of the particles by a local sensitive coil can locally measure the presence of particles.
  • a paramagnetic substance such as dysprosium III oxide can be determined in this way.
  • the other techniques presented can also be implemented.
  • the device 100 shown is designed as a spectrometer for the detection of magnetic particles that can be located in a corresponding sample volume 102 .
  • the peculiarity here is that only a single coil 104 for generating an excitation and detection field 108 is required. Due to the special electrical wiring of the coil 104, it is possible to obtain the signal of the magnetic particles without any background without special precautions in the construction of the coil 104.
  • this system is particularly suitable for signal recording at the excitation frequency of the coil 104 . This makes it possible to measure particles with linear magnetization depending on the field strength, as is usually the case with diamagnets and paramagnets.
  • Such a spectrometer can be operated either individually as a spectrometer for magnetic particles or as part of an imaging system.
  • Static magnetic fields 530 can also be implemented as an offset for the measurement in the system, as can the interaction with externally generated static magnetic offset fields 530.
  • the magnetic permeability of magnetic nanoparticles provides important information about the particles themselves, but also about their environment. It is thus possible to determine particle concentrations, but also particle properties such as size or temperature.
  • the environment also has an influence, e.g. B. the viscosity of the surrounding medium have an influence on the signal and can be measured.
  • a suitable choice of particles such. B. Particles with a non-linear magnetization curve, i. H. the magnetization and consequently the magnetic permeability of the particles increases non-linearly with an applied magnetic field, and a spatially variable magnetic field 530 can be used to locally assign the signal and thus generate an image.
  • a measuring probe for such substances can be miniaturized, e.g. B. for a catheter.
  • a magnetizable sample 102 is introduced into the coil 104 and the voltage curve at the measuring interface 643 serving as an output is evaluated.
  • the voltage curve at the measurement interface 643 is dependent on the magnetic permeability of the sample 102.
  • the current in the coil 104 can also be measured.
  • the current also depends on the magnetic permeability of the sample 102.
  • Such a measurement can be used to localize particles.
  • a large magnetic field 108 is generated locally at the needle tip of the core 320 in which the particles can be detected.
  • the localization can be generated by spatially variable amplitudes and/or phase changes of the measurement magnetic field 108 that is generated.
  • Local variable static or quasi-static additional magnetic fields 530 can be used.
  • the way it works is similar to Magnetic Particle Imaging (MPI) with the difference that a physically different parameter of the sample is measured here.
  • the magnetization can be calculated from the permeability. It is easier and metrologically advantageous to measure the magnetic permeability. Paramagnetic and diamagnetic substances can also be measured with it. It is also possible to carry out the measurement in strong magnetic fields 530, as in MR tomographs.
  • the MPI measures the change in magnetization M
  • the method presented measures the magnetic permeability.
  • magnetic permeability magnetization / field strength + 1
  • the field strength in mT is plotted on the X axis and the magnetization in Am 2 is plotted on the Y axis.
  • the magnetization curve 1000 of the particles is shown.
  • the arrow 1002 symbolizes something like magnetic susceptibility (M/H) and the Y-axis section 1004 roughly the magnetization M (here for an excitation field of around 12 mT).
  • an array arrangement 100 can be realized, such as coils 104, 404 arranged linearly around the sample 102, with suitable amplitudes and phases selected between the individual coils 104, 404.
  • static or quasi-static additional magnetic fields 530 with magnetic field gradients can be generated within the measuring volume 102 of the coil 104 or the coils 104, 404 are used.
  • a number of capacitors, resistors and coils can be connected in parallel and/or in series with the coil 104, as well as with the resistor 652. B. simply a manual rough adjustment can be realized if one or more of these elements are adjustable.
  • the resistor 652 can be implemented by a coil. This can be advantageous if a small phase shift of the voltages U1-, U2 ⁇ 106, 606 is desired.
  • This coil can be connected in such a way that externally induced disturbances, similar to those in a gradiometer, generate a voltage swing with opposite signs and thus cancel each other out. This can also be used to manage with a lower voltage U2 ⁇ 606.
  • the coil 104 can be shaped in such a way that it can generate a homogeneous field 108 in its interior. This is advantageous for measuring samples 102 in z. B. test tubes.
  • the coil 104 can be shaped in such a way that it generates a homogeneous field 108 in a certain area in front of a flat surface, but also a corresponding non-homogeneous field 108. This allows extended objects 102 to be examined locally by a small sensor 100.
  • a number of such measuring coils 104 can be arranged appropriately, e.g. B. perform local measurements of adjacent measurement volumes 102, 502 simultaneously as an array.
  • the individual coils 104, 404 are geometrically, inductively or capacitively decoupled.
  • a spatial resolution of the recorded signal can also be obtained by a suitable choice of amplitudes, phases and frequencies of the individual elements and a suitable reconstruction of the measurement signal.
  • This system 100 can also work together with externally generated magnetic fields 530 such as static homogeneous fields or time-varying homogeneous fields.
  • this system 100 can work together with spatially and/or temporally changing inhomogeneous fields 530.
  • the measured information can be assigned spatially by means of a suitable reconstruction.
  • this system 100 serves to detect magnetizable particles, including those with linear and non-linear magnetizability when a magnetic field is applied.
  • the system 100 shown has two main operating modes, firstly the voltage U2 ⁇ 606 is selected in such a way that the empty measuring coil 104 does not deliver an output signal, the measuring signal 110 is then the voltage at the output 643 for sample 102 in the measuring field 108.
  • the other operating mode is that the voltage U2 ⁇ 606 is always selected in such a way that there is no voltage at the Output 643 is generated, the measurement signal 110 is then the difference between the voltage U2 ⁇ 606 for sample 102 in the measuring field 108 and the voltage U2 ⁇ 606 for no sample 102 in the measuring field 108. It is also conceivable to choose a combination of both methods . This allows the maximum measurement voltage z. B. be limited.
  • the resulting dynamic range here is the sum of the dynamic ranges of the voltage U2 ⁇ 606 and the voltage measurement.
  • a particular extension is the possibility of using magnetically conductive cores 320 in this measuring arrangement 100 for conducting the field 108 to another location.
  • a needle made of a ferromagnetic material into the coil 104.
  • the coil 104 now generates a moderate magnetic flux in the core 320, but a high one at the tip of the needle.
  • Magnetizable particles that are located in the area of the needle tip now generate a particularly high response signal, as this is where the magnetization is greatest.
  • a microscope can thus be realized.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens.
  • Nanopartikel mit magnetischen Eigenschaften finden in Technik und Medizin ein breites Anwendungsgebiet. Sie können als Marker für bestimmte Eigenschaften wie etwa die Vitalität von Zellen, als Kontrastmittel oder als Tracer zur Darstellung von Fluss oder Gefäßen benutzt werden. Die magnetischen Eigenschaften können indirekt oder direkt gemessen werden.
  • Die US 2012/0164916 A1 , die WO2008145813 A1 und die WO 2007/122293 A1 offenbaren Vorrichtungen zum Sensieren einer Konzentration von magnetischen Partikeln. Dazu wird eine Serienschaltung aus zwei Spulen eingesetzt. An die äußeren Anschlüsse der Serienschaltung wird eine Wechselspannung als Anregungssignal angelegt und ein Knotenpunkt zwischen den zwei Spulen dient als eine Messschnittstelle.
  • Ein Beispiel für ein indirektes Messverfahren ist zum Beispiel die Magnetresonanz-Tomografie (MRT), bei der Eisen- oder Gadoliniumhaltige Substanzen als Kontrastmittel eingesetzt werden. Hier erfolgt der Nachweis in der Regel über die veränderten Relaxationseigenschaften der umgebenden Protonen. Dies ermöglicht zum einen die Eigenschaften der Kontrastmittel zu bestimmen aber auch eine Lokalisation vorzunehmen. Es gibt eine Vielzahl solcher Partikel und Kontrastmittel mit magnetischen Eigenschaften, darunter auch eine Reihe funktionalisierter Partikel. Die sind mit speziellen Oberflächenbeschichtungen und/oder Bindungsgliedern versehen, um z. B. an spezielle Zellen zu binden. Finden solche Bindungen statt, so sind zum einen die Partikel an den Targets lokalisiert, können aber auch durch zum Beispiel Clusterbildung ihre Eigenschaften ändern.
  • Für den direkten Nachweis von magnetischen Partikeln haben Gleich und Weizenecker 2005 in Nature Vol 435/30 p.1214ff ein Verfahren zum Magnetic Particle Imaging (MPI) vorgestellt, das Partikel mit einer nichtlinearen Magnetisierungskurve lokalisieren kann.
  • Dieses Verfahren basiert darauf, dass die Magnetisierung der Partikel in einem äußeren Wechsel-Magnetfeld nur für kleine Feldstärken nicht-Linearitäten aufweist, für große Feldstärken aber in eine Sättigung gelangt, die dann ein lineares Verhalten zeigt. Über ein Zusatzfeld mit einem entsprechend großen Magnetfeld, das so ausgeformt ist, das es nur in einem kleinen Bereich ein sehr kleines Feld hat bzw. feldfrei ist, der Feld-Freie-Punkt (FFP), zeigen nur die Partikel in diesem Feld-Freien-Punkt ein nicht-lineares Magnetisierungsverhalten. Der Nachweis erfolgt über die Messung der Magnetisierung der Partikel. Finden sich in der Fourier-Zerlegung (Spektrum) höhere Harmonische der Frequenz des Wechselfeldes, so kann daraus auf das Vorhandensein von Partikeln im Feld-Freien-Punkt geschlossen werden und ein Bild durch Abrastern der Probe mit dem Feld-Freien-Punkt berechnet werden. Diese höheren Harmonischen werden zur Auswertung herangezogen.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens gemäß den Hauptansprüchen 1 und 7 gelöst.
  • Der beschriebene Ansatz eignet sich als Nachweisverfahren für magnetische Partikel. Gemäß Ausführungsformen des beschriebenen Ansatzes kann eine Lokalisation und zusätzlich oder alternativ eine Vermessung der Partikel-Eigenschaften durch Messung der magnetischen Permeabilität vorgenommen werden. Vorteilhafterweise ist dabei die Verwendung einer einzigen Spule ausreichend, die sowohl eingesetzt werden kann, um ein auf ein Probenvolumen einwirkendes magnetisches Anregungsfeld zu erzeugen als auch eingesetzt werden kann, um eine Information über eine magnetische Permeabilität des Probenvolumens zu erhalten. Aus der Information über die magnetische Permeabilität des Probenvolumens kann beispielsweise auf das Vorhandensein zumindest eines magnetischen Partikels in dem Probenvolumen geschlossen werden.
  • Ein Verfahren zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens, umfasst die Schritte gemäß unabhängigem Anspruch 1.
  • Magnetfeldlinien des von der Messspule erzeugten magnetischen Felds können durch das Probenvolumen verlaufen. Unter dem Probenvolumen kann ein zu analysierender Bereich oder eine Probe selbst verstanden werden. Beispielsweise kann das Probenvolumen auch eine zu analysierende Fläche umfassen. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen kann das Probenvolumen im Inneren der Messspule, direkt benachbart zu der Messspule oder beabstandet zu der Messspule angeordnet sein. Je nach Zustand des Probenvolumens können sich in dem Probenvolumen keine magnetischen Partikel oder zumindest ein magnetischer Partikel befinden. Unter einem magnetischen Partikel kann dabei magnetisches Material verstanden werden, das beispielsweise als Probe in das Probenvolumen eingebracht werden kann. Die Messspule kann eine oder eine Mehrzahl von Spulenwicklungen aufweisen. Die Spule kann eine geeignete Form, beispielsweise eine Zylinderform aufweisen. Die Spule kann in einer geeigneten Schaltung, beispielsweise einer Brückenschaltung verschaltet sein. Das Anregungssignal kann direkt an die Messspule oder über ein oder mehrere Elemente an die Messspule angelegt werden. Das Anregungssignal kann ein Wechselsignal sein. Somit kann das magnetische Feld ein Wechselfeld sein. Beispielsweise kann das Anregungssignal eine Wechselspannung oder ein Wechselstrom sein. Das Messsignal kann eine elektrische Spannung repräsentieren. Ein solches Messsignal kann durch eine Spannungsmessung erfasst werden. Beispielsweise kann eine an der Spule abfallende Spannung erfasst werden. Auch kann das Messsignal einen elektrischen Strom repräsentieren. Ein solches Messsignal kann durch eine Strommessung erfasst werden, beispielsweise durch Messen des durch die Spule fließenden Stroms. Die Schritte des Erfassens des Messsignals und des Anlegens des Anregungssignals können zeitgleich ausgeführt werden. Dabei können die Schritte des Erfassens und Anlegens über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden. Handelt es sich bei dem Anregungssignal um ein Wechselsignal, so kann das Messsignal beispielsweise erfasst werden, während das Anregungssignal eine oder mehrere Schwingungsphasen durchläuft. Die Induktivität der Spule ist abhängig von der magnetischen Permeabilität des Probenvolumens. Ändert sich die magnetische Permeabilität des Probenvolumens, so ändert sich die Induktivität der Messspule. Somit kann das Messsignal die magnetische Permeabilität oder eine Änderung der magnetischen Permeabilität des Probenvolumens anzeigen. Der Schritt des Analysierens der magnetischen Permeabilität des Probenvolumens kann somit eine Auswertung einer Größe, einer Veränderung oder eines zeitlichen Verlaufs des Messsignals umfassen. Durch die Auswertung des Messsignals kann eine Information über die magnetische Permeabilität des Probenvolumens erhalten werden. Unter der magnetischen Permeabilität des Probenvolumens kann das Verhältnis der magnetischen Flussdichte innerhalb des Probenvolumens zu der magnetischen Feldstärke innerhalb des Probenvolumens verstanden werden. Die Information über die magnetische Permeabilität kann wiederum verwendet werden, um eine magnetische Eigenschaft der sich innerhalb des Probenvolumens befindlichen Materie zu analysieren, beispielsweise zumindest ein magnetisches Partikel in dem Probenvolumen zu detektieren.
  • Die Schritte des Verfahrens können ausgeführt werden, um die Permeabilität des Probenvolumens zu vermessen. Aus der daraus resultierenden Permeabilitätskurve des Probenvolumens kann die Magnetisierungskurve des Probenvolumens bestimmt werden. Auf diese Weise können sowohl lineare als auch nichtlineare Magnetisierungskurven bestimmt werden.
  • Das Verfahren kann einen Schritt des Vergleichens des Messsignals mit einem Referenzsignal umfassen. Das Referenzsignal kann wie nachfolgend ausgeführt eine Referenzspannung, beispielsweise aber auch ein Referenzstrom sein. Durch den Vergleich kann die magnetische Permeabilität des Probenvolumens bestimmt werden. Dabei kann das Referenzsignal ein weiteres elektrisches Messsignal repräsentieren, das von der Induktivität der Messspule abhängig ist, während die Messspule ein auf ein Referenzvolumen einwirkendes magnetisches Feld erzeugt. Das Referenzvolumen kann eine Referenzprobe, beispielsweise Luft, enthalten. Somit können das Messsignal und das Referenzsignal zu unterschiedlichen Zeiten unter Verwendung derselben Messspule erfasst werden, einmal während das magnetische Feld auf das Probenvolumen einwirkt (zur Bestimmung des Messsignals) und einmal während das magnetische Feld auf das Referenzvolumen einwirkt (zur Bestimmung des Referenzsignals). Zu beiden Zeiten kann die Messspule von dem gleichen Anregungssignal angeregt werden. Beispielsweise kann das Referenzvolumen mit einem Material einer bekannten magnetischen Eigenschaft, beispielsweise mit Luft gefüllt sein. Somit kann unter dem Probenvolumen beispielsweise ein Volumen verstanden werden, in dem sich eine Probe befindet, und unter dem Referenzvolumen kann dasselbe Volumen verstanden werden, in dem sich jedoch keine Probe befindet. Das Referenzsignal kann einmal erfasst und dann gespeichert werden. Somit kann im Schritt des Vergleichens das Messsignal mit einem gespeicherten Referenzsignal verglichen werden. Der Vergleich kann durch eine geeignete Verknüpfung zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal durchgeführt werden. Beispielsweise kann die magnetische Permeabilität basierend auf einem Unterschied zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal sowie einer dem Referenzsignal zugeordneten magnetischen Permeabilität bestimmt werden. Somit kann die magnetische Permeabilität des Probenvolumens sehr einfach bestimmt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die nicht Teil der Erfindung ist, können ein erster Kontakt der Messspule über ein erstes Element mit einem ersten Anschluss zum Anlegen des elektrischen Anregungssignals, ein zweiter Kontakt der Messspule über ein zweites Element mit einem zweiten Anschluss zum Anlegen eines elektrischen Abgleichsignals und der zweite Kontakt der Messspule mit einer Messschnittstelle verbunden sein. Die Elemente können beispielsweise Durchgangsleitungen, Widerstände, Kondensatoren oder Spulen sein. Ein Element kann auch eine Serienschaltung und/oder Parallelschaltung mehrerer Elemente repräsentieren. Im Schritt des Anlegens kann das Anregungssignal an den ersten Anschluss und das Abgleichsignal an den zweiten Anschluss angelegt werden. Im Schritt des Erfassens kann das Messsignal an der Messschnittstelle erfasst werden. Dabei kann das Abgleichsignal ein Signal repräsentieren, bei dem an der Messschnittstelle eine Referenzspannung anliegt, wenn das von der Messspule erzeugte magnetische Feld auf ein Referenzvolumen einwirkt. Die Referenzspannung kann einen bestimmten Spannungswert, beispielsweise Null Volt, aufweisen. Ein Wert oder Verlauf des Abgleichssignals kann während einer Referenzmessung bestimmt worden sein, bei dem das magnetische Feld der Messspule auf das bereits zuvor genannte Referenzvolumen einwirkt. Dies ermöglicht es, sehr einfache Schaltungen zum Bereitstellen des Anregungssignals und des Abgleichsignals zur Analyse des Probenvolumens zu verwenden.
  • Gemäß der Erfindung sind ein erster Kontakt der Messspule über ein erstes Element mit einem ersten Anschluss zum Anlegen des elektrischen Anregungssignals, ein zweiter Kontakt der Messspule über ein zweites Element mit einem zweiten Anschluss zum Anlegen eines elektrischen Abgleichsignals und der zweite Kontakt der Messspule mit einer Messschnittstelle verbunden. Im Schritt des Anlegens wird das Anregungssignal an den ersten Anschluss und das Abgleichsignal an den zweiten Anschluss angelegt. Im Schritt des Erfassens wird das Abgleichsignal als das Messsignal erfasst. Dabei ist das Abgleichsignal ausgeformt, um unabhängig davon, ob das von der Messspule erzeugte magnetische Feld auf das Probenvolumen oder ein Referenzvolumen einwirkt, an der Messschnittstelle eine vorbestimmte Referenzspannung einzustellen. Somit wird das Abgleichsignal fortlaufend nachgeregelt, um die bestimmte Referenzspannung einzustellen. Beispielsweise kann die Referenzspannung Null Volt betragen. Vorteilhafterweise ist auf diese Weise keine Referenzmessung erforderlich.
  • Das Verfahren kann einen Schritt des Anlegens eines weiteren elektrischen Anregungssignals an eine weitere Messspule umfassen, um unter Verwendung der weiteren Messspule ein auf ein weiteres Probenvolumen einwirkendes weiteres magnetisches Feld zu erzeugen. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Erfassens eines von der Induktivität der weiteren Messspule abhängigen weiteren elektrischen Messsignals umfassen. Dabei kann das weitere Messsignal aufgrund der Abhängigkeit der Induktivität der weiteren Messspule von der magnetischen Permeabilität des weiteren Probenvolumens eine Analyse der magnetischen Permeabilität des weiteren Probenvolumens ermöglichen. Die beiden Probenvolumen können identisch sein, sich zumindest teilweise überlagern oder sich nicht überlagern. Überlagern sich die Probenvolumen zumindest teilweise, so kann eine Probe sehr genau analysiert werden. Beispielsweise kann eine räumliche Verteilung magnetischen Materials innerhalb der Probe analysiert werden.
  • Dabei kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens einer Verteilung der magnetischen Partikel in dem Probenvolumen und dem weiteren Probenvolumen unter Verwendung des Messsignals, des weiteren Messsignals sowie einer Information über eine Position des Probenvolumens, einer Position des weiteren Probenvolumens, einer Information über eine Charakteristik des Anregungssignals und einer Information über eine Charakteristik des weiteren Anregungssignals umfassen. Auf diese Weise kann durch eine geeignete Wahl der Charakteristika der Anregungssignale eine räumliche Verteilung der magnetischen Partikel bestimmt werden.
  • Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren einen Schritt des Beaufschlagens des Probenvolumens und des weiteren Probenvolumens mit einem zusätzlichen Magnetfeld umfassen. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens einer Verteilung der magnetischen Partikel in dem Probenvolumen und dem weiteren Probenvolumen unter Verwendung des Messsignals, des weiteren Messsignals sowie einer Information über eine Charakteristik des zusätzlichen Magnetfelds in dem Probenvolumen und dem weiteren Probenvolumen umfassen. Somit besteht eine weitere Möglichkeit, um die räumliche Verteilung der magnetischen Partikel zu bestimmen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Beaufschlagens des Probenvolumens mit einem inhomogenen zusätzlichen Magnetfeld aufweisen. In dem Schritt des Analysierens kann eine Verteilung der magnetischen Partikel in dem Probenvolumen unter Verwendung des Messsignals sowie einer Information über einen örtlichen Verlauf des zusätzlichen Magnetfelds innerhalb des Probenvolumens bestimmt werden. Die Information über den örtlichen Verlauf kann beispielsweise eine Information über eine Position eines eine geringe Magnetfeldstärke aufweisenden Abschnitts des zusätzlichen Magnetfelds umfassen.
  • Dabei können die Schritte des Anlegens und des Erfassens sowie des Beaufschlagens mehrmals ausgeführt werden, wobei der örtliche Verlauf des zusätzlichen Magnetfelds in den mehrmaligen Schritten des Beaufschlagens des Probenvolumens verändert werden kann. Im Schritt des Analysierens kann die Verteilung der magnetischen Partikel unter Verwendung der in den mehrmaligen Schritten des Erfassens erfassten Messsignale und einer Information über eine Veränderung des örtlichen Verlaufs des zusätzlichen Magnetfelds während der mehrmaligen Schritte des Beaufschlagens bestimmt werden. Somit können beispielsweise aufeinanderfolgende Schritte des Erfassens jeweils bei einem unterschiedlichen örtlichen Verlauf des zusätzlichen Magnetfelds durchgeführt werden. Unter Kenntnis des örtlichen Verlaufs des zusätzlichen Magnetfelds während der Erfassung der einzelnen Messsignale kann beispielsweise eine räumliche Verteilung der magnetischen Permeabilität oder eine räumliche Verteilung der magnetischen Partikel innerhalb des Probenvolumens bestimmt werden.
  • Eine Vorrichtung zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens weist die Merkmale gemäß unabhängigem Anspruch 7 auf.
  • Eine solche Vorrichtung eignet sich zum Umsetzen der Schritte des genannten Verfahrens zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens.
  • Bei einer solchen Vorrichtung kann das Probenvolumen im Inneren der Messspule angeordnet sein. Auf diese Weise kann beispielsweise eine in einem Reagenzglas angeordnete Probe analysiert werden. Alternativ kann das Probenvolumen außerhalb der Messspule angeordnet sein.
  • Die Vorrichtung kann einen Spulenkern aufweisen, der durch die Messspule geführt ist. Dabei kann ein Ende des Spulenkerns als eine Spitze zum Anlegen an das Probenvolumen ausgeführt sein. Durch die Spitze kann das magnetische Feld der Messspule auf das Probenvolumen konzentriert werden. Zudem kann der Spulenkern verwendet werden, um einen räumlichen Abstand zwischen der Spule und dem Probenvolumen zu überbrücken.
  • Die Vorrichtung weist eine Auswerteeinrichtung auf. Die Auswerteieinrichtung ist ausgebildet, um die magnetische Permeabilität des Probenvolumens unter Verwendung des Messsignals zu bestimmen. Die magnetische Permeabilität von magnetischen Partikeln ermöglicht sowohl die Analyse der Partikel selbst, als auch deren Umgebung.
  • Gemäß der Erfindung sind ein erster Kontakt der Messspule über ein erstes Element mit einem ersten Anschluss zum Anlegen des elektrischen Anregungssignals, ein zweiter Kontakt der Messspule über ein zweites Element mit einem zweiten Anschluss zum Anlegen eines elektrischen Abgleichsignals und der zweite Kontakt der Messspule mit der Messschnittstelle verbunden. Auf diese Weise kann die Messspule in eine geeignete Brückenschaltung eingebunden werden.
  • Dabei kann das erste Element ein Kondensator oder eine elektrische Durchgangsleitung sein. Das zweite Element kann ein Widerstand, eine Spule oder eine elektrische Durchgangsleitung sein. Durch eine geeignete Wahl der Elemente können messtechnische Eigenschaften der Vorrichtung eingestellt werden.
  • Die Vorrichtung kann eine weitere Messspule aufweisen. Die weitere Messspule kann ausgebildet sein, um ansprechend auf ein Anlegen eines weiteren elektrischen Anregungssignals an die weitere Messspule ein auf ein weiteres Probenvolumen einwirkendes weiteres magnetisches Feld zu erzeugen. Die Vorrichtung kann ferner eine weitere Messschnittstelle zum Erfassen eines von der Induktivität der weiteren Messspule abhängigen weiteren elektrischen Messsignals aufweisen. Dabei kann das weitere Messsignal aufgrund der Abhängigkeit der Induktivität der weiteren Messspule von der magnetischen Permeabilität des weiteren Probenvolumens eine Analyse der magnetischen Permeabilität des weiteren Probenvolumens ermöglichen. Die Probenvolumen können dabei unterschiedlich oder zumindest teilweise identisch sein. Das Probenvolumen und das weitere Probenvolumen können somit zumindest teilweise überlappen. Unter Verwendung der weiteren Messspule kann beispielsweise ein Probenvolumen genauer oder es kann ein größeres Probenvolumen analysiert werden, als unter Verwendung nur einer Messspule. Dabei kann die Vorrichtung zwei, drei oder mehr Messspulen aufweisen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figuren 1 bis 6
    schematische Darstellungen einer Vorrichtung zur Analyse eines Probenvolumens gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 7
    ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Analyse eines Probenvolumens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Figuren 8 bis 9
    schematische Darstellungen einer Vorrichtung zur Analyse eines Probenvolumens gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
    Fig. 10
    eine Darstellung einer Magnetisierung.
  • In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine Messspule 104 auf. Der in Fig. 1 gezeigte Block 104 kann die Messspule oder eine die Messspule umfassende Schaltung, beispielsweise eine Brückenschaltung repräsentieren. Wird während eines Analysevorganges ein Anregungssignal 106, beispielsweise eine elektrische Spannung oder ein elektrischer Strom über eine Schnittstelle an die Messspule 104 angelegt, so wird von der Messspule 104 ein magnetisches Feld 108 erzeugt.
  • Die Messspule 104 und das Probenvolumen 102 sind so zueinander ausgerichtet, dass das magnetische Feld 108 auf das Probenvolumen 102 einwirkt, es beispielsweise durchdringt. Das Probenvolumen 102 kann auch als eine Probe aufgefasst werden. Die Induktivität der Messspule 104 ist abhängig von der magnetischen Permeabilität des Probenvolumens 102. Über die Induktivität der Messspule 104 kann somit auf die magnetische Permeabilität des Probenvolumens 102 geschlossen werden. Dazu ist die Messspule 104 mit einer Messschnittstelle zum Erfassen eines von der Induktivität der Messspule 104 abhängigen elektrischen Messsignals 110 auf. Über das Messsignal 110 kann die Induktivität der Messspule 104 und somit die magnetische Permeabilität des Probenvolumens 102 bestimmt werden.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 eine Auswerteeinrichtung 112 zum Auswerten des elektrischen Messsignals 110 auf. Die Auswerteeinrichtung 112 ist ausgebildet, um das Messsignal 110 zu empfangen und basierend auf dem Messsignal 110 ein Analyseergebnis bezüglich des Probenvolumens 102 zu bestimmen und bereitzustellen. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung 112 ausgebildet sein, um einen Wert der magnetischen Permeabilität oder einen von der magnetischen Permeabilität des Probenvolumens 102 abhängigen Wert zu bestimmen. Die Messspule 104 und die Auswerteeinrichtung 112 können innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sein. Alternativ können die Messspule 104 und die Auswerteeinrichtung 112 in separaten Gehäusen angeordnet sein. Dabei kann die Vorrichtung 100 eine Schnittstelle zum Bereitstellen des Messsignals 110 an eine externe Auswerteeinrichtung 112 aufweisen. Somit kann die Vorrichtung 100 gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele sowohl mit als auch ohne die Auswerteeinrichtung 112 realisiert sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 112 ausgebildet, um die Analyse des Probenvolumens 102 unter Verwendung eines Referenzsignals durchzuführen. Das Referenzsignal kann ein gespeichertes Messsignal repräsentieren, das die Induktivität der Messspule 104 während eines Analysevorganges abbildet, während dem das Probenvolumen 102 einem Referenzvolumen entspricht.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 112 ausgebildet, um die Analyse des Probenvolumens 102 unter Verwendung eines Abgleichsignals durchzuführen. Das Abgleichsignal kann einem während des Analysevorganges an die Messspule oder eine die Messspule umfassende Schaltung bereitgestelltes Signal entsprechen.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 eine Anregungseinrichtung 114 zum Bereitstellen des Anregungssignals 106 auf. Die Anregungseinrichtung 114 kann beispielsweise als eine Stromquelle oder eine Spannungsquelle ausgeführt sein. Die Messspule 104 und die Anregungseinrichtung 114 können innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sein. Alternativ können die Messspule 104 und die Anregungseinrichtung 114 in separaten Gehäusen angeordnet sein. Dabei kann die Vorrichtung 100 eine Schnittstelle zum Empfangen des Anregungssignals 106 von der Anregungseinrichtung 114 aufweisen. Somit kann die Vorrichtung 100 gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele sowohl mit als auch ohne die Anregungseinrichtung 114 realisiert sein.
  • Die Vorrichtung 100 kann das Probenvolumen 102, beispielsweise eine Aufnahmeeinrichtung, beispielsweise einen Behälter, für eine Probe umfassen oder das Probenvolumen 102 kann benachbart zu der Vorrichtung 100 angeordnet sein.
  • Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Probenvolumen 102 benachbart zu der Messspule 104, außerhalb der Vorrichtung 100 angeordnet oder anordenbar. Beispielsweise kann das Probenvolumen 102 in Verlängerung einer Längsachse, der beispielsweise als zylindrische Spule ausgeführten Messspule, angeordnet sein.
  • Zur Analyse des Probenvolumens 102 kann das Probenvolumen 102 zu der Vorrichtung hin bewegt werden, oder umgekehrt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel basiert der Analysevorgang auf der Vermessung der magnetischen Permeabilität der Probe 102 oder des Probenvolumens 102.
  • Der Parameter in Form der magnetischen Permeabilität ist vorteilhaft, da er eine besonders geeignete Konstruktion der Messapparatur 100 erlaubt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die magnetische Permeabilität der Probe 102 über die Messung der Induktivität der Messspule 104 vermessen. Hierzu wird von der Messspule 104 ein magnetisches Wechselfeld 108 einer bestimmten Stärke erzeugt und nun an dieser Spule 104 entweder Strom oder Spannung vermessen. Daraus lässt sich die magnetische Permeabilität der Probe 102 bei den Feldstärken, die das Wechselfeld 108 durchläuft, bestimmen.
  • Wird nun lokal, z. B. durch Variation eines Gradienten, entweder die Stärke oder Phase dieses Wechselfeldes 108 variiert, so kann daraus eine lokale Zuordnung der bestimmten magnetischen Permeabilität erfolgen. Dies Variation kann z. B. eine räumlich durchlaufende Welle sein, wo sich die Phase einer sinusförmigen Anregung über den Raum ändert.
  • Wird zusätzlich, z. B. durch eine separate Einrichtung, wie es nachfolgend beispielhaft anhand von Fig. 5 gezeigt ist, ein lokal unterschiedliches statisches oder quasistatisches Magnetfeld, so kann aus Variation dessen eine lokale Zuordnung erfolgen. Bei einer Induktionsmessung kann die Ableitung der magnetischen Permeabilität vermessen werden. Für eine lokale Zuordnung ist es gemäß einem Ausführungsbeispiel notwendig, das die magnetische Permeabilität eine Abhängigkeit von der Feldstärke zeigt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probenvolumen einem zusätzlichen inhomogenen Magnetfeld ausgesetzt werden. Dies kann für ein Bildgebungsverfahren verwendet werden. Das zusätzliche Magnetfeld wird gemäß einem Ausführungsbeispiel so realisiert, dass es innerhalb des Probenvolumens ein sehr kleines Feld hat, bzw. einen feldfreien Punkt besitzt und an allen anderen Punkten des Probenvolumens groß ist, beispielsweise so groß, dass es eine Sättigung von sich dort befindlichen Partikeln hervorruft. Partikel, die durch das große zusätzliche Magnetfeld gesättigt sind, ändern ihren magnetischen Fluss mit Feldvariationen durch die Messspule 104 nicht wesentlich. Das Messsignal 110 kann daher dem Bereich des Probenvolumens 102 zugeordnet werden, in dem das zusätzliche Magnetfeld die niedrige Feldstärke aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird unter Verwendung der Messspule 104 fortlaufend die Permeabilität des Probenvolumens 102 vermessen, also Messsignale 110 erfasst, während der feldfreie Punkt des zusätzlichen Magnetfelds mechanisch oder elektrisch verfahren wird. Auf diese Weise kann ein Bild abgerastert werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann somit die räumliche Verteilung magnetischer Partikel in dem Probenvolumen 102 ermittelt werden. Allgemein ausgedrückt kann dazu ein zusätzliches Magnetfeld eingesetzt werden, dessen räumlicher Verlauf seiner magnetischen Feldstärke innerhalb des Probenvolumens 102 einen ersten Abschnitt mit niedriger magnetischer Feldstärke und einen zweiten Abschnitt mit einer im Vergleich zum ersten Abschnitt höheren magnetischen Feldstärke aufweist. Während eines Analysezeitraums wird die räumliche Lage der beiden Abschnitte innerhalb des Probenvolumens 102 verändert. Dies führt zu einer örtlichen Änderung der magnetischen Permeabilität der Partikel innerhalb des Probenvolumens 102. Während des Analysezeitraums erfolgt eine Erfassung einer Mehrzahl von Messsignalen 110, die von der Veränderung der räumlichen Lage der Abschnitte des zusätzlichen magnetischen Felds abhängen. Durch eine Auswertung der Mehrzahl von Messsignalen 110 kann eine Information über die räumliche Verteilung der magnetischen Partikel innerhalb des Probenvolumens 102 ermittelt werden. Die Information über die räumliche Verteilung kann beispielsweise von einem Bildgebungsverfahren genutzt werden, um eine bildliche Darstellung der räumlichen Verteilung der Partikel innerhalb des Probenvolumens 102 zu ermitteln.
  • Die Information über die räumliche Verteilung kann beispielsweise von der Auswerteeinrichtung 112 bestimmt werden. Dazu kann die Auswerteeinrichtung 112 ausgebildet sein, um eine Information über die Veränderung des zusätzlichen Magnetfelds, beispielsweise eine Information über einen zeitlichen und örtlichen Verlauf der Lage des ersten Abschnitts, beispielsweise eines feldfreien Punkts des zusätzlichen Magnetfelds, mit der Mehrzahl von Messsignalen 110 zu kombinieren. Beispielsweise kann jedem der Mehrzahl von Messsignalen 110 die zum Zeitpunkt der Erfassung eines Messsignals 110 aktuelle Lage des ersten Abschnitts des zusätzlichen Magnetfelds zugeordnet werden. Somit kann jedem der Messsignale 110 eine Position innerhalb des Probenvolumens 102 zugeordnet werden.
  • Das zusätzliche Magnetfeld kann beispielsweise von einer Einrichtung zum Erzeugen des zusätzlichen Magnetfelds erzeugt werden, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine lokale Messung mit einer lokal empfindlichen Spule 104 ebenso zum Aufspüren von Partikeln verwendet werden.
  • Die magnetische Permeabilität unterscheidet sich von der Magnetisierung, wie sie im Magnetic Particle Imaging (MPI) verwendet wird. So ist es dort in der Regel ausgeschlossen, die Information auf der Anregungsfrequenz zu verwenden. Bei hohen Feldstärken wird dort ebenfalls kein Signal verwendet, da hier die Partikel in Sättigung sind, und demnach die Magnetisierung sich nicht ändert.
  • Bringt man eine beschriebene Anlage in ein sehr starkes Feld, wie in einen Kernspintomografen, so haben Partikel eine magnetische Permeabilität, die gemessen werden kann, aber die Magnetisierung ändert sich nicht, wenn die Feldstärke variiert wird.
  • Para- oder Diamagneten ändern zwar ihre Magnetisierung, die Änderung verläuft aber linear und kann dementsprechend auch nicht von einer MPI-Anlage aufgenommen werden, da hier nur nichtlineare Änderungen berücksichtigt werden. Dies kann durch eine Vorrichtung 100 gemäß dem hier beschriebenen Ansatz vermieden werden.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 kann der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung entsprechen, mit dem Unterschied, dass das Probenvolumen 102 gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel im Inneren der Messspule 104 angeordnet oder anordenbar ist, also beispielsweise von einer Mehrzahl von Wicklungen der Messspule 104 umgeben ist.
  • Zur Analyse des Probenvolumens 102 kann das Probenvolumen 102 in das Innere der Messspule 104 eingeführt werden.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 kann der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung entsprechen, mit dem Unterschied, dass ein Spulenkern 320 durch die Messspule 104 geführt ist, und das Probenvolumen 102 gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel an einem Ende des Spulenkerns 320 angeordnet ist oder anordenbar ist.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 kann der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung entsprechen, mit dem Unterschied, dass die Vorrichtung 100 eine weitere Messspule 404 aufweist und das Probenvolumen 102 zwischen den beiden Messspulen 104, 404 angeordnet ist oder anordenbar ist. Beispielsweise können die Messspulen 104, 404 eine gemeinsame Längsachse aufweisen, die durch das Probenvolumen 102 führt.
  • Wird ein weiteres Anregungssignal 406 an die weitere Messspule 404 angelegt, so wird von der weiteren Messspule 404 ein weiteres magnetisches Feld 408 erzeugt. Die weitere Messspule 404 und das Probenvolumen 102 sind so zueinander ausgerichtet, dass das weitere magnetische Feld 408 auf das Probenvolumen 102 einwirkt, es beispielsweise durchdringt. Die Induktivität der weiteren Messspule 404 ist abhängig von der magnetischen Permeabilität des Probenvolumens 102. Über die Induktivität der weiteren Messspule 404 kann somit auf die magnetische Permeabilität des Probenvolumens 102 geschlossen werden. Dazu weist die Vorrichtung 100 eine weitere Messschnittstelle zum Erfassen eines von der Induktivität der weiteren Messspule 404 abhängigen weiteren elektrischen Messsignals 410 auf. Über das weitere Messsignal 410 kann die Induktivität der weiteren Messspule 404 und somit die magnetische Permeabilität des Probenvolumens 102 bestimmt werden.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 112, die wiederum in Bezug auf die Vorrichtung 100 als interne oder externe Einrichtung realisiert sein kann, ausgebildet, um die beiden elektrischen Messsignals 110, 410 zu erfassen und zur Analyse des Probenvolumens 102 auszuwerten. Zum Auswerten der Messsignale 110, 410 kann die Auswerteeinrichtung 112 zusätzlich eine Information über die Anregungssignale 106, 406 empfangen und zum Auswerten der Messsignale 110 verwenden.
  • Die Anregungseinrichtung 114 ist ausgebildet, um die Anregungssignale 106, 406 zu erzeugen und an die Messspulen 104, 404 bereitzustellen. Die Anregungseinrichtung 114 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um die Anregungssignale 106, 406 mit unterschiedlicher Charakteristik, beispielsweise unterschiedlicher Phase, bereitzustellen. Eine Information über die Charakteristika der Anregungssingale 106, 406 kann über eine Schnittstelle von der Anregungseinrichtung 114 an die Auswerteeinrichtung 112 bereitgestellt werden.
  • Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 kann der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung entsprechen, mit dem Unterschied, dass die Messspulen 104, 404 gemäß diesem Ausführungsbeispiel nebeneinander angeordnet sind, also beispielsweise Längsachsen der Messspulen 104, 404 parallel zueinander verlaufen. Die weitere Messspule 404 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendet, um ein weiteres Probenvolumen 502 zu analysieren. Alternativ können die Messspulen 104, 404 verwendet werden, um ein gemeinsames Probenvolumen zu analysieren, dass die gezeigten Probenvolumen 102, 502 umfasst.
  • Die Auswerteeinrichtung 112 kann ausgebildet sein, um die Probenvolumen 102, 502 separat auszuwerten oder um eine räumliche Verteilung magnetischer Partikel innerhalb des gemeinsamen Probenvolumens zu erzeugen. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung 112 ausgebildet sein, um eine bildliche Darstellung der räumlichen Verteilung der magnetischen Partikel oder einer Darstellung der magnetischen Permeabilität innerhalb des gemeinsamen Probenvolumens 102, 502 zu erstellen.
  • Zur Analyse der Probenvolumen 102, 502 kann die Auswerteeinrichtung 112 eine Information über Charakteristika der Anregungssignale 106, 406 sowie eine Information über Positionen, beispielsweise Relativpositionen, der Probenvolumen 102, 502 oder der Messspulen 104, 404 verwenden.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Auswerteeinrichtung 112 eine Information über eine Charakteristik eines zusätzlichen Magnetfelds 530 empfangen und zur Analyse der Probenvolumen 102, 505 verwenden. Das zusätzliche Magnetfeld 530 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel von einer Einrichtung 532 zum Erzeugen des zusätzlichen Magnetfelds 530 erzeugt, beispielsweise von einer Anordnung aus einem oder mehreren Magneten oder einer oder mehreren Spulen erzeugt. Die Einrichtung 532 kann auch Teil der Vorrichtung 100 sein. Das zusätzliche Magnetfeld 530 kann beispielsweise wie anhand von Fig. 1 beschrieben ausgeführt und eingesetzt werden.
  • Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine mögliche Verschaltung der Messspule 104, der Vorrichtung 100. Eine solche Verschaltung kann auch in den in den vorangegangenen Figuren gezeigten Vorrichtungen 100 eingesetzt werden.
  • Die Vorrichtung 100 weist einen ersten Anschluss 641, einen zweiten Anschluss 642 und eine Messschnittstelle 643 auf.
  • Ein erster Kontakt der Messspule 104 ist über ein erstes Element 651, beispielsweise einen Kondensator, mit dem ersten Anschluss 641 verbunden. Ein zweiter Kontakt der Messspule 104 ist mit der Messschnittstelle 643 und über ein zweites Element 652, beispielsweise einen Widerstand, mit dem zweiten Anschluss 642 verbunden.
  • Über den ersten Anschluss 641 kann ein Anregungssignal 106, wie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben, eingespeist werden. Dazu kann der erste Anschluss 641 mit einer geeigneten Anregungsschaltung, wie beispielsweise anhand von Fig. 1 beschrieben, verbunden sein.
  • Über den zweiten Anschluss 642 kann ein Abgleichsignal 606 eingespeist werden. Dazu kann der erste Anschluss 641 beispielsweise ebenfalls mit der Anregungsschaltung verbunden sein, die dann ausgebildet ist, um neben dem Anregungssignal 106 auch das Abgleichsignal 606 bereitzustellen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt während eines Analysevorganges der Vorrichtung 100 ein Messsignal an der Messschnittstelle 643 an, wie es bereits beschrieben ist. Das Messsignal kann beispielsweise von einer Auswerteeinrichtung 112 erfasst und ausgewertet werden, um das Probenvolumen zu analysieren.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird während des Analysevorganges das Abgleichsignal 606 so in den zweiten Anschluss 642 eingespeist, dass an der Messschnittstelle 643 ein vorbestimmtes gleichbleibendes Referenzsignal anliegt. Dazu kann das Abgleichsignal 606 beispielsweise von einer Regeleinrichtung unter Verwendung des an der Messschnittstelle 643 anliegenden Signals so geregelt werden, dass an der Messschnittstelle 643 das Referenzsignal anliegt. Das sich daraus ergebende Abgleichsignal kann dann von der Auswerteeinrichtung 112 als Messsignal ausgewertet werden, um das Probenvolumen zu analysieren.
  • Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer Vorrichtung angewendet werden, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist.
  • In einem Schritt 701 wird ein elektrisches Anregungssignal an eine Messspule angelegt. Angeregt durch das Anregungssignal ist die Messspule ausgebildet, um ein auf das Probenvolumen einwirkendes magnetisches Feld zu erzeugen. In einem Schritt 703 wird ein elektrisches Messsignal erfasst, das von der Induktivität der Messspule abhängig ist. In einem Schritt 705 wird basierend auf dem Messsignal eine magnetische Permeabilität des Probenvolumens analysiert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Messsignal im Schritt 705 unter Verwendung eines Referenzsignals analysiert werden. Das Referenzsignal kann ermittelt werden, indem die Schritte 701, 703 des Verfahrens durchgeführt werden, während das magnetische Feld der Messspule auf ein Referenzvolumen wirkt. Das Referenzsignal oder ein dem Referenzsignal entsprechender Wert kann beispielsweise nach seiner Bestimmung in einer Speichereinrichtung gespeichert und aus der Speichereinrichtung ausgelesen werden.
  • Beispielsweise kann ein solches Verfahren zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einer Vorrichtung angewendet werden, wie sie anhand von Fig. 6 beschrieben ist.
  • Dabei wird im Schritt 701 das Anregungssignal an den ersten Anschluss der Vorrichtung und das Abgleichsignal wird an den zweiten Anschluss der Vorrichtung angelegt. Im Schritt 703 wird das an der Messschnittstelle anliegende Signal als Messsignal erfasst.
  • Das im Schritt 701 anzulegende Abgleichsignal kann dabei im Voraus ermittelt und gespeichert werden, indem die Schritte 701, 703 des Verfahrens durchgeführt werden, während das magnetische Feld der Messspule auf ein Referenzvolumen wirkt. Dabei wird das Abgleichsignal so eingestellt, dass an der Messschnittstelle ein Referenzsignal anliegt.
  • Werden die Schritte des Verfahrens ausgeführt, während das magnetische Feld der Messspule auf das Probenvolumen einwirkt, so unterscheidet sich das Messsignal trotz unverändertem Anregungssignal und Abgleichsignal von dem Referenzsignal, sofern sich die magnetische Permeabilität des Probenvolumens von dem Referenzvolumen unterscheidet. Aus der Differenz zwischen dem Referenzsignal und dem Messsignal und unter Kenntnis der magnetischen Permeabilität des Referenzvolumens kann somit auf die magnetische Permeabilität des Probenvolumens geschlossen werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird im Schritt 701 das Anregungssignal an den ersten Anschluss der Vorrichtung und das Abgleichsignal wird an den zweiten Anschluss der Vorrichtung angelegt. Dabei wird das Abgleichsignal so eingestellt, dass sich an der Messschnittstelle ein Referenzsignal einstellt. Bei Analysevorgängen von unterschiedlichen Probenvolumen wird das Abgleichsignal jeweils so eingestellt, dass das Referenzsignal an der Messschnittstelle anliegt.
  • Werden die Schritte des Verfahrens ausgeführt, während das magnetische Feld der Messspule auf das Probenvolumen einwirkt, so unterscheidet sich das Abgleichsignal trotz unverändertem Anregungssignal von dem bei einem Referenzvolumen eingestellten Abgleichsignal, sofern sich die magnetische Permeabilität des Probenvolumens von dem Referenzvolumen unterscheidet. Aus der Abweichung zwischen den Abgleichsignalen, die bei dem Referenzvolumen und dem Probenvolumen eingestellt werden, kann unter Kenntnis der magnetischen Permeabilität des Referenzvolumens auf die magnetische Permeabilität des Probenvolumens geschlossen werden. Das bei dem Referenzvolumen eingestellte Abgleichsignal oder ein diesem Abgleichsignal entsprechender Wert kann in einer Speichereinrichtung gespeichert und im Schritt 705 des Analysierens aus der Speichereinrichtung ausgelesen werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Verfahren unter Verwendung von zwei oder mehr Messspulen angewendet werden, um ein oder mehrere Probenvolumen zu analysieren.
  • In dem Schritt 701 wird dazu ein elektrisches Anregungssignal an eine Messspule und mindestens ein weiteres elektrisches Anregungssignal an mindestens eine weitere Messspule bereitgestellt. In dem Schritt 703 werden von den Induktivitäten der Messspulen abhängige Messsignale erfasst und im Schritt 705 ausgewertet, um das Probenvolumen oder die Probenvolumen zu analysieren.
  • Im Schritt 705 können zum Auswerten der Messsignale Informationen über Charakteristika der Anregungssignale und zusätzlich oder alternativ Charakteristika über ein oder mehrere zusätzliche auf das oder die Probenvolumen einwirkenden Magnetfelder einfließen. Dabei kann im Schritt 705 eine räumliche Verteilung von magnetischen Partikeln oder Werten der magnetischen Permeabilität innerhalb des oder der Probenvolumen ermittelt werden.
  • Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine mögliche Verschaltung der Messspule 104, der Vorrichtung 100. Eine solche Verschaltung kann auch in den in den vorangegangenen Figuren gezeigten Vorrichtungen 100 eingesetzt werden.
  • Die Vorrichtung 100 weist einen ersten Anschluss 641, einen zweiten Anschluss 642 und eine Messschnittstelle 643 auf.
  • Ein erster Kontakt der Messspule (L) 104 ist über ein erstes Element 651, hier einen Kondensator (C), mit dem ersten Anschluss 641 verbunden. Ein zweiter Kontakt der Messspule 104 ist über eine Leitung mit der Messschnittstelle 643 und über ein zweites Element 652, hier einen Widerstand (R), mit dem zweiten Anschluss 642 verbunden.
  • Über den ersten Anschluss 641 kann beispielsweise über eine erste Koaxialleitung ein Anregungssignal 106, hier in Form einer ersten Wechselspannung U1~ zugeführt werden. Über den zweiten Anschluss 642 kann beispielsweise über eine zweite Koaxialleitung ein Abgleichsignal 606, hier in Form einer zweiten Wechselspannung U2~ zugeführt werden.
  • Je nach Ausführungsbeispiel können zwischen der Messschnittstelle 643 und einem Masseanschluss 845 der Vorrichtung 100 das bereits beschriebene Messsignal oder das bereits beschriebene Referenzsignal abgegriffen werden.
  • Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine Messspule mit einem Spulenkern 320 auf, wie es beispielsweise anhand von Fig. 3 beschrieben ist. Der Spulenkern 320 ist als ein zylinderförmiger Stab ausgeführt, der an einem Ende ein flaches Ende und an dem anderen Ende eine Spitze aufweist. Die Spitze ist in ein Probenvolumen 102 hingeführt oder auf das Probenvolumen 102 gerichtet. Durch die Spitze des Spulenkerns 320 werden die Magnetfeldlinien des magnetischen Felds 108 auf das Probenvolumen 102 konzentriert. Die Vorrichtung 100 weist als eine Schnittstelle beispielsweise zwei elektrische Leitungen zur Energieversorgung oder zum Zuführen oder Auslesen von Signalen auf.
  • Anhand der vorangegangenen Figuren werden im Folgenden unterschiedliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Den Ausführungsbeispielen zugrunde liegend ist eine Messung der magnetischen Permeabilität.
  • Die magnetische Permeabilität ist als die Eigenschaft magnetisches Feld in Materie zu leiten direkt über die Induktivität der Wechselfeld-erzeugenden Spule 104 zugänglich. Dies ermöglicht einen vorteilhaften Bau einer solchen Messeinrichtung 100. Im einfachsten Falle besteht diese aus einer einzelnen Spule 104, die bei Anlegen einer Wechselspannung 106 in einem Messvolumen 102 ein Magnetfeld 108 einer bestimmten Stärke erzeugt. Die Induktivität der Spule 104 hängt nun direkt von der magnetischen Permeabilität ab und kann durch eine einfache Strom- oder Spannungsmessung, beispielsweise über das Messsignal 110, bestimmt werden. Hier ist es durch geeignetes elektrisches Verschalten, wie eine Brückenschaltung in Kombination mit einer Spannungsmessung, leicht möglich das gemessene Spannungssignal 110 so einzustellen, dass die gemessene Spannung 110 nur der Änderung der Spannung 110 entspricht, die sich durch Einbringen einer Probe in das Probenvolumen 102 und damit durch Änderung der magnetischen Permeabilität, ergibt. Damit kann der Dynamikbereich eines Spannungsmessers der Spannung 110 für die relevante Information benutzt werden.
  • Eine solche Messbrücke besteht gemäß einem Ausführungsbeispiel aus einer Spule 104, die Feld im Probenvolumen 102 erzeugen kann, und einem elektrischen Widerstand 652. Die über das Anregungssignal 106 angelegte Spannung an der Messspule 104 wird so gewählt, dass dort das gewählte magnetische Feld 108 erzeugt wird. Die über das Abgleichsignal 606 angelegte Spannung an dem Brückenwiderstand 652 wird entsprechend so gewählt, dass in einfachsten Fall ohne Probe am Spannungsmesser keine Spannung 110 abfällt. Bringt man nun eine Probe in das Volumen 102 der Messspule 104, so kann aus dem Spannungsverlauf 110 die magnetische Permeabilität der Probe in Abhängigkeit der angelegten Magnetfeldstärke des Felds 108 bestimmt werden. Daraus kann auf das Vorhandensein und die Eigenschaften, beispielsweise die Stoffmenge, des magnetischen Materials in dem Probenvolumen 102 geschlossen werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Spannung U1~ 106 so gewählt, dass in der Spule 104 ein geeignetes Wechsel-Magnetfeld 108 erzeugt wird. Der in Fig. 8 gezeigte Kondensator 651 ist prinzipiell nicht notwendig, aber eine gute Option um den Blindwiderstand zu reduzieren, damit bei geringer Spannung ein großer Strom erzeugt werden kann. Als Anregungssignal 106 ist im speziellen eine sinusförmige Spannung auf einer Frequenz, z. B. 20kHz, geeignet. Das Feld 108, das dadurch erzeugt wird, ist idealerweise größer als 5mT an der Spitze, und kann bis zu einigen 100 mT gehen. Die Spannung U2~ 606 wird in ihrem zeitlichen Verlauf so gewählt, dass bei der leeren Messspule 104, also leerem Probenvolumen 102, gerade am Ausgang 643, also der Spannung zwischen Masse und dem Verbindungspunkt von Spule 104 und Widerstand 652 immer als Referenzsignal eine Spannung von 0V erzeugt wird. Im einfachsten Fall ist die Abgleichspannung 606 eine ebenso sinusförmige Spannung eines bestimmten Pegels und einer bestimmten Phase gegenüber der Spannung U1~ 106. Wird nun eine magnetisierbare Probe in die Spule 104 eingebracht, oder in die Nähe der Spule 104 gebracht, so ergibt sich ein Spannungsverlauf am Ausgang 643, der abhängig von der magnetischen Permeabilität der Probe in dem Probenvolumen 102 ist.
  • Eine Messbrücke, wie sie beispielsweise in Fig. 8 gezeigt ist, hat zwei wesentliche Betriebsmodi, den Brückenabgleich und die Messung der Brückenspannung.
  • Bei Brückenabgleich wir die zeitabhängige Spannung am Widerstand so eingestellt, dass die Brückenspannung an der Messschnittstelle 643 immer Null wird. Das eigentliche Messsignal 110 ist nun die Differenz zwischen der Spannung am Widerstand 652 mit und ohne Probe in dem Probenvolumen 102.
  • Beim Messen der Brückenspannung wird die Spannung am Widerstand 652 so eingestellt, dass bei leerer Messspule 104, also leerem Probenvolumen 102, die Brückenspannung an der Messschnittstelle 643 zu Null wird. Nun ist die gemessene Brückenspannung das eigentliche Messsignal 110.
  • Es ist auch möglich, eine Kombination dieser beiden Modi zu verwenden, und so als Dynamikbereich eine Summe des Dynamikbereichs des Spannungsmessers und der Spannung am Widerstand 652 zu erhalten.
  • Diese Messanordnung kann auch in anderen Ausführungsformen realisiert werden. So kann statt einer Spannungsmessung auch eine Strommessung erfolgen.
  • Vorteilhaft vor allem bei großen Messvolumina 102 ist eine resonante Anpassung der Messspule 104 auf die Frequenz des Wechselfeldes 108, so kann mit geringerer Spannung gearbeitet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Spule 104 mit einem geeignet gewählten Kondensator 651 in Reihe. Ebenso kann der in Fig. 8 gezeigte Brückenwiderstand 652 durch eine komplexere Anordnung von Spulen, Kondensatoren und Widerständen ersetzt werden. Vorteilhaft ist es in einigen Fällen zur Unterdrückung von Störungen aus dem umgebenden Raum, hier eine der Messspule 104 gleichartige Spule mit gegensätzlicher Feldrichtung zu wählen. Diese Anordnung wirkt wie ein Gradiometer, ein in beiden Spulen gleichermaßen erzeugtes Spannungssignal hebt sich auf. Der Messspule 104 können auch komplexere Anordnungen elektrischer Bauteile parallel oder in Reihe geschaltet werden, um die Eigenschaften wie Resonanzen anzupassen.
  • Eine besondere Ausformung eines solchen Messsystems 100 ist eine Spule 104, die ein Messvolumen 102 umschließt und dort ein homogenes Wechselfeld 108 erzeugt. Ebenso eine besondere Anordnung ist eine Messspule 104, die vor einer Oberfläche ein homogenes oder linear in der Stärke mit dem Abstand von der Oberfläche abfallendes Magnetfeld 108 erzeugen kann.
  • Es ist einsichtig, das sich diese Messapparatur 100 in besonderer Weise zur Messung auf der Anregungsfrequenz eignet, eine resonante Abstimmung macht diese auf genau dieser Frequenz besonders empfindlich. Dies ist aber kein Nachteil, da zum einen dies eine wertvolle Information ist, und zum Zweiten führen vor allem Nichtlinearitäten der magnetischen Permeabilität zu einer Reihe höherer Harmonischer, für die dann eine breitbandige Messung erforderlich ist. Dadurch ist eine resonante Abstimmung auf eine andere Frequenz nur eingeschränkt sinnvoll. Dennoch ist es nicht erforderlich, die Messspule 104 resonant auf die Anregungsfrequenz abzustimmen. Stattdesen kann die Abstimmung prinzipiell auch auf einer anderen Frequenz erfolgen, auch stehen eine Reihe bekannter Ansätze zur mehrfachresonanten Abstimmung von Spulen zur Verfügung.
  • Eine Lokalisierung der Partikel innerhalb des Probenvolumens 102 erfolgt durch einen oder eine Kombination folgender Mechanismen.
  • Ist die Spule 104 nur lokal empfindlich, so kann hierüber eine lokale Bestimmung der Partikel erfolgen. Hierbei ist zu bemerken, dass diese Konstruktion sich einfach miniaturisieren lässt und so z. B. in einen Katheder integrieren lässt. So kann z. B. in Blutgefäßen so eine lokale Messung magnetischer Partikel erfolgen.
  • Eine besondere Erweiterung ist die Möglichkeit, in diese Messanordnung 100 zur Leitung des Feldes 108 an einen anderen Ort, einen oder mehrere magnetisch leitende Kerne 320 zu verwenden. So ist es zum Beispiel möglich, eine Nadel aus einem ferromagnetischen Material in die Spule 104 einzusetzen, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Die Spule 104 erzeugt nun in dem Kern 320 einen moderaten magnetischen Fluss, der unterhalb der Sättigung gehalten werden kann, an der Nadelspitze aber einen hohen Fluss. Magnetisierbare Partikel, die sich im Bereich 102 der Nadelspitze befinden, erzeugen nun ein besonders hohes Antwortsignal, da hier die Magnetisierung am größten ist. Damit ist ein Mikroskop realisierbar.
  • Beispielsweise erzeugt die in Fig. 9 gezeigte Anordnung ein hohes lokales Feld im angedeuteten Bereich, der als Probenvolumen 102 dienen kann. Eine ergänzend einsetzbare weitere Messanordnung ist dabei nicht abgebildet.
  • Eine Lokalisierung von Partikel mit einer Vorrichtung 100, wie sie anhand der Figuren beschrieben ist, kann über eine Arrayanordnung von einzelnen Messspulen 104, 404 erfolgen. Hierbei kann die Arrayanordnung im einfachsten Falle, z. B. bei einer zweidimensionalen Messung an einer Objektoberfläche, so erfolgen, dass die einzelnen Elemente mit den einzelnen Messspulen 104, 404 eigene angegrenzte Messvolumina 102, 502 messen, und daraus ein Bild berechnet wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die einzelnen Elemente mit den einzelnen Messspulen 104, 404 so angeordnet werden, dass die einzelne Messung in überlappenden Volumina 104, 404 stattfindet. Hier kann durch einen geeigneten Feldverlauf der Felder 108, 408 der Einzelspulen 104, 404, wie homogene Anregungsfelder oder Anregungsfeldgradienten in Kombination mit einer individuellen oder gleichen Frequenz, Amplitude und Phase der Anregungsspannung, ein lokal unterschiedliches zeitabhängiges Magnetfeld ausgebildet werden, das sich in Amplitude und/oder Phase unterscheidet. Durch eine geeignete Kombination von Anregungsmustern kann daraus ein Bild berechnet werden. Ein einfaches Beispiel zur Verdeutlichung sind z. B. zwei gegenüberliegende Spulen 104, 404, wie es beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist, deren Magnetfeld 108, 408 durch die Konstruktion der Spulen 104, 404 im Messvolumen 102 dazwischen so gewählt wird, das, werden die beiden Spulen 104, 404 mit unterschiedlicher Phase der Wechselspannung angesteuert, die Amplitude des Gesamtmagnetfeldes annähernd gleich ist, sich daraus aber eine unterschiedliche Phase ergibt, je nachdem an welcher Spule 104, 404 man näher ist. Die magnetische Permeabilität (im Allgemeinen ein komplexer Wert) einer Punktprobe zeigt über ihre Phase nun (hier eindimensional) den Ort zwischen den Spulen 104, 404.
  • Solche Anordnungen lassen sich je nach Messobjekt individuell optimieren, wie das lineare Aufreihen von Leiterschleifen für zylindrische Objekte für eine eindimensionale Messung. Mit mehreren solcher gegenüberliegenden Spulen 104, 404 in einer dreidimensionalen Anordnung können entsprechend dreidimensionale Kodierungen des Ortes vorgenommen werden.
  • Es besteht weiterhin die Möglichkeit, durch zusätzliche Magnetfelder 530, wie extern erzeugte Magnetfeldgradienten, im einfachsten Fall durch Anti-Helmholtz-Spulen, die magnetische Permeabilität zu ändern, und damit lokal zu kodieren. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in Fig. 5 gezeigt. In diesem Fall kann die zur Magnetisierung sehr ähnliche nichtlineare magnetische Permeabilität gemessen und zur Bildrekonstruktion verwendet werden.
  • Die magnetische Permeabilität in starken Magnetfeldern, wie die eines MRT, ist eine messbare Größe und kann auch hier zur Partikeldetektion und zur Charakterisierung herangezogen werden.
  • In einem einfachen Beispiel kann eine Lokalisation und Charakterisation der Partikel durch eine lokale empfindliche Spule, wie ein Katheder mit integrierter Messpule 104, lokal die Anwesenheit von Partikeln messen. Als Beispiel lässt sich so die Anwesenheit eines paramagnetischen Stoffes wie Dysprosium-III-Oxyd bestimmen. Ebenso lassen sich aber auch die anderen vorgestellten Techniken umsetzen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die gezeigte Vorrichtung 100 als ein Spektrometer für die Detektion magnetischer Partikel, die sich in einem entsprechenden Probenvolumen 102 befinden können, ausgeführt. Die Besonderheit ist hier, dass nur eine einzige Spule 104 zur Erzeugung eines Anregungs- und Detektionsfeldes 108 benötigt wird. Aufgrund der besonderen elektrischen Verschaltung der Spule 104 ist es möglich, das Signal der magnetischen Partikel ohne besondere Vorkehrungen in der Konstruktion der Spule 104 hintergrundfrei zu erhalten.
  • Dabei ist zu beachten, dass diese Anlage für eine Signalaufnahme auf der Anregungsfrequenz der Spule 104 besonders geeignet ist. Damit ist es möglich, auch Partikel mit linearer Magnetisierung in Abhängigkeit der Feldstärke, wie es üblicherweise Diamagneten und Paramagneten zeigen, zu vermessen.
  • Ein solches Spektrometer kann sowohl einzeln als Spektrometer für magnetische Partikel betrieben werden, als auch als Teil einer bildgebenden Anlage. Ebenso sind statische Magnetfelder 530 als Offset für die Messung in der Anlage realisierbar, ebenso wie das Zusammenwirken mit extern erzeugten statischen magnetischen Offset-Feldern 530.
  • Die magnetische Permeabilität von magnetischen Nanopartikeln gibt wichtige Aufschlüsse über die Partikel selber, aber auch über Ihre Umgebung. So ist es möglich Konzentrationen von Partikeln zu bestimmen, aber auch Eigenschaften der Partikel wie Größe oder Temperatur. Auch die Umgebung hat einen Einfluss, so kann z. B. die Viskosität des umgebenden Mediums einen Einfluss auf das Signal haben und so vermessen werden.
  • Bei geeigneter Wahl der Partikel, wie z. B. Partikel mit einer nichtlinearen Magnetisierungskurve, d. h. die Magnetisierung und demzufolge die magnetische Permeabilität der Partikel steigt nichtlinear mit einem angelegten Magnetfeld, und einem ortvariablen Magnetfeld 530 kann eine lokale Zuordnung des Signals erfolgen und so ein Bild generiert werden.
  • Insbesondere ist eine Lokalisation von magnetisierbaren Substanzen wie Eisenoxydpartikeln oder paramagnetischen Substanzen möglich.
  • Dabei kann eine Miniaturisierung einer Messsonde für solche Substanzen durchgeführt werden, z. B. für einen Katheder.
  • Auch ist eine Detektion solcher Substanzen in starken Magnetfeldern möglich, wie sie z. B. im MRT vorliegen. Insbesondere ist auch eine Lokalisation solcher Substanzen in starken Magnetfeldern 530 realisierbar..
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine magnetisierbare Probe 102 in die Spule 104 eingebracht und der Spannungsverlauf an der als Ausgang dienenden Messschnittstelle 643 wird ausgewertet. Der Spannungsverlauf an der Messschnittstelle 643 ist dabei abhängig von der magnetischen Permeabilität der Probe 102.
  • Entsprechend kann auch der Strom in der Spule 104 vermessen werden. Der Strom ist ebenfalls abhängig von der magnetischen Permeabilität der Probe 102.
  • Eine solche Messung kann zur Lokalisation von Partikeln verwendet werden.
  • Dies kann durch eine Miniaturisierung des Messaufbaus 100 auch in Verbindung mit Messarrays oder Messfeldern geschehen.
  • Es besteht die Möglichkeit, eine Lokalisierung durch Verwendung eines nadelförmigen magnetisch leitfähigen Kerns 320 zu erzielen. Hier wird an der Nadelspitze des Kerns 320 lokal ein großes Magnetfeld 108 erzeugt, in dem der Nachweis der Partikel stattfinden kann.
  • Die Lokalisierung kann durch räumlich variable Amplituden und/oder Phasenänderung des erzeugten Messmagnetfeldes 108 erzeugt werden.
  • Es können lokale variable statische oder quasistatische zusätzliche Magnetfelder 530 verwendet werden.
  • Die Funktionsweise ist dabei ähnlich wie das Magnetic Particle Imaging (MPI) mit dem Unterschied, das hier ein physikalisch anderer Parameter der Probe gemessen wird. Die Magnetisierung lässt sich dabei aus der Permeabiliät berechnen. Es ist einfacher und messtechnisch vorteilhaft, die magnetische Permeabilität zu vermessen. Damit können auch para- und diamagnetische Substanzen vermessen werden. Ferner ist es möglich, die Messung auch in starken magnetischen Feldern 530, wie in MR-Tomografen, durchzuführen.
  • Die MPI vermisst die Änderung der Magnetisierung M, das vorgestellte Verfahren die magnetische Permeabilität.
  • Fig. 10 zeigt eine Magnetisierung-Kurve von superparamagnetischen Nanopartikeln als Suspension. Die magnetische Permeabilität ist dabei wie folgt bestimmt: Magnetische Permeabilität = Magnetisierung / Feldstärke + 1
    Figure imgb0001
  • Auf der X-Achse ist die Feldstärke in mT und auf der Y-Achse die Magnetisierung in Am2 aufgetragen. Gezeigt ist die Magnetisierungskurve 1000 der Partikel. Der Pfeil 1002 symbolisiert dabei so etwas wie magnetische Suszeptibilität (M/H) der Y-Achsenabschnitt 1004 etwa die Magnetisierung M (hier für etwa 12mT Anregungsfeld).
  • Der beschriebene Ansatz kann in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen realisiert werden. Zum einen ist eine Miniaturisierung der Anordnung 100 zur lokalen Bestimmung möglich. Zum anderen kann eine Arrayanordnung 100 realisiert werden, wie linear aufgereihte um die Probe 102 angebrachte Spulen 104, 404, mit geeigneter Amplituden und Phasenwahl zwischen den einzelnen Spulen 104, 404. Ferner können statische oder quasistatische Zusatzmagnetfelder 530 mit Magnetfeldgradienten innerhalb des Messvolumens 102 der Spule 104 oder der Spulen 104, 404 eingesetzt werden.
  • In Bezug auf das in Fig8 gezeigte Ausführungsbeispiel kann parallel und/oder in Serie zu der Spule 104 eine Anzahl von Kondensatoren, Widerständen und Spulen geschaltet werden, ebenso zu dem Widerstand 652. Hierdurch kann z. B. einfach eine manuelle Grobeinstellung realisiert werden, wenn ein oder mehrere dieser Elemente einstellbar sind.
  • Der Widerstand 652 kann durch eine Spule realisiert werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn eine geringe Phasenverschiebung der Spannungen U1-, U2~ 106, 606 gewünscht ist. Diese Spule kann so verschaltet werden, das ähnlich wie in einem Gradiometer von außen induzierte Störungen einen Spannungshub mit entgegengesetzten Vorzeichen erzeugen und sich so netto aufheben. Ebenso kann dies dazu genutzt werden mit einer niedrigeren Spannung U2~ 606 auszukommen.
  • Die Spule 104 kann so ausgeformt werden, dass sie in ihrem Inneren ein homogenes Feld 108 erzeugen kann. Dies ist vorteilhaft für das Vermessen von Proben 102 in z. B. Reagenzgläsern.
  • Die Spule 104 kann so ausgeformt sein, dass sie ein homogenes Feld 108 in einem bestimmten Bereich vor einer planen Fläche erzeugt, ebenso aber auch ein entsprechendes nicht homogenes Feld 108. Hierdurch können ausgedehnte Objekte 102 lokal durch einen kleinen Sensor 100 untersucht werden.
  • Eine Anzahl von solchen Messspulen 104 kann durch geeignete Anordnung, z. B. als Array lokale Messungen benachbarter Messvolumina 102, 502 gleichzeitig durchführen. Idealerweise sind dabei die einzelnen Spulen 104, 404 geometrisch, induktiv oder kapazitiv entkoppelt.
  • Bei einer Anordnung von Spulen 104, 404 kann eine Ortsauflösung des aufgenommenen Signals auch durch eine geeignete Wahl von Amplituden, Phasen und Frequenzen der Einzelelemente und einer geeigneten Rekonstruktion des Messsignals gewonnen werden.
  • Diese Anlage 100 kann auch mit extern erzeugten Magnetfeldern 530 wie statische homogene Felder oder zeitlich ändernde homogene Felder zusammenarbeiten.
  • Ebenso kann diese Anlage 100 mit räumlich und/oder zeitlich ändernden inhomogenen Feldern 530 zusammenarbeiten. Durch eine geeignete Rekonstruktion kann die gemessene Information räumlich zugeordnet werden.
  • Diese Anlage 100 dient gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Nachweis von magnetisierbaren Partikeln, eingeschlossen solche mit linearer und mit nichtlinearer Magnetisierbarkeit bei angelegtem Magnetfeld.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die beispielsweise in Fig. 8 gezeigte Anlage 100 zwei wesentliche Betriebsmodi, einmal wird die Spannung U2~ 606 so gewählt, dass die leere Messspule 104 kein Ausgangssignal liefert, das Messsignal 110 ist hierbei dann die Spannung am Ausgang 643 bei Probe 102 im Messfeld 108. Der andere Betriebsmodus ist, dass immer die Spannung U2~ 606 so gewählt wird, dass keine Spannung am Ausgang 643 erzeugt wird, das Messsignal 110 ist dann die Differenz von der Spannung U2~ 606 bei Probe 102 im Messfeld 108 und der Spannung U2~ 606 bei keiner Probe 102 im Messfeld 108. Es ist ebenso denkbar, eine Kombination aus beiden Verfahren zu wählen. Damit kann die maximale Messspannung z. B. begrenz werden. Der resultierende Dynamikbereich ist hier die Summe der Dynamikbereiche von der Spannung U2~ 606 und der Spannungsmessung.
  • Eine besondere Erweiterung ist die Möglichkeit in diese Messanordnung 100 zur Leitung des Feldes 108 an einen anderen Ort magnetisch leitende Kerne 320 zu verwenden. So ist es zum Beispiel möglich, eine Nadel aus einem ferromagnetischen Material in die Spule 104 einzusetzen. Die Spule 104 erzeugt nun in dem Kern 320 einen moderaten magnetischen Fluss, an der Nadelspitze aber einen hohen. Magnetisierbare Partikel, die sich im Bereich der Nadelspitze befinden, erzeugen nun ein besonders hohes Antwortsignal, da hier die Magnetisierung am größten ist. Damit ist ein Mikroskop realisierbar.
  • Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens (102), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    Anlegen (701) eines elektrischen Anregungssignals (106) an eine Messspule (104), um unter Verwendung der Messspule (104) ein auf das Probenvolumen (102) einwirkendes magnetisches Feld (108) zu erzeugen, wobei ein erster Kontakt der Messspule (104) über ein erstes Element (651) mit einem ersten Anschluss (641) zum Anlegen des elektrischen Anregungssignals (106), ein zweiter Kontakt der Messspule (104) über ein zweites Element (652) mit einem zweiten Anschluss (642) zum Anlegen eines elektrischen Abgleichsignals (606) und der zweite Kontakt der Messspule (104) mit einer Messschnittstelle (643) verbunden sind, und das Anregungssignal (106) an den ersten Anschluss (641) und das Abgleichsignal (606) an den zweiten Anschluss (642) angelegt wird;
    Erfassen (703) eines von der Induktivität der Messspule (104) abhängigen elektrischen Messsignals (110), wobei das Abgleichsignal (606) als das Messsignal (110) erfasst wird und das Abgleichsignal (606) ausgeformt ist, um unabhängig davon, ob das von der Messspule (104) erzeugte magnetische Feld (108) auf das Probenvolumen (102) oder ein Referenzvolumen einwirkt, an der Messschnittstelle (643) eine vorbestimmte Referenzspannung einzustellen; und
    Analysieren (705) einer magnetischen Permeabilität des Probenvolumens (102) unter Verwendung des Messsignals (110).
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt des Vergleichens des Messsignals (110) mit einem Referenzsignal, um die magnetische Permeabilität des Probenvolumens (102) zu bestimmen, wobei das Referenzsignal ein weiteres elektrisches Messsignal (110) repräsentiert, das von der Induktivität der Messspule (104) abhängig ist, während die Messspule (104) ein auf ein Referenzvolumen einwirkendes magnetisches Feld (108) erzeugt.
  3. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Anlegens eines weiteren elektrischen Anregungssignals (406) an eine weitere Messspule (404), um unter Verwendung der weiteren Messspule (404) ein auf ein weiteres Probenvolumen (502) einwirkendes weiteres magnetisches Feld (408) zu erzeugen, und mit einem Schritt des Erfassens (703) eines von der Induktivität der weiteren Messspule (404) abhängigen weiteren elektrischen Messsignals (410), wobei das weitere Messsignal (410) aufgrund der Abhängigkeit der Induktivität der weiteren Messspule (404) von der magnetischen Permeabilität des weiteren Probenvolumens (502) eine Analyse der magnetischen Permeabilität des weiteren Probenvolumens (502) ermöglicht.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, mit einem Schritt des Bestimmens einer Verteilung der magnetischen Partikel in dem Probenvolumen (102) und dem weiteren Probenvolumen (502) unter Verwendung des Messsignals (110), des weiteren Messsignals (410) sowie einer Information über eine Position des Probenvolumens (102), einer Position des weiteren Probenvolumens (502), einer Information über eine Charakteristik des Anregungssignals (106) und einer Information über eine Charakteristik des weiteren Anregungssignals (406).
  5. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Beaufschlagens des Probenvolumens (102) mit einem inhomogenen zusätzlichen Magnetfeld (530) und wobei im Schritt des Analysierens (705) eine Verteilung der magnetischen Partikel in dem Probenvolumen (102) unter Verwendung des Messsignals (110) sowie einer Information über einen örtlichen Verlauf des zusätzlichen Magnetfelds (530) innerhalb des Probenvolumens (102) bestimmt wird.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Schritte des Anlegens (701) und des Erfassens (703) sowie des Beaufschlagens mehrmals ausgeführt werden, wobei der örtliche Verlauf des zusätzlichen Magnetfelds in den mehrmaligen Schritten des Beaufschlagens des Probenvolumens (102) verändert wird und wobei im Schritt des Analysierens (705) die Verteilung der magnetischen Partikel unter Verwendung der in den mehrmaligen Schritten des Erfassens (703) erfassten Messsignale (110) und einer Information über eine Veränderung des örtlichen Verlaufs des zusätzlichen Magnetfelds (530) während der mehrmaligen Schritte des Beaufschlagens bestimmt wird.
  7. Vorrichtung (100) zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens (102), wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
    eine Messspule (104) die ausgebildet ist, um ansprechend auf ein Anlegen eines elektrischen Anregungssignals (106) an die Messspule (104) ein auf das Probenvolumen (102) einwirkendes magnetisches Feld (108) zu erzeugen, wobei ein erster Kontakt der Messspule (104) über ein erstes Element (651) mit einem ersten Anschluss (641) zum Anlegen des elektrischen Anregungssignals (106), ein zweiter Kontakt der Messspule (104) über ein zweites Element (652) mit einem zweiten Anschluss (642) zum Anlegen eines elektrischen Abgleichsignals (606) und der zweite Kontakt der Messspule (104) mit einer Messschnittstelle (643) verbunden sind;
    eine Anregungseinrichtung (114), die ausgebildet ist, das Anregungssignal (106) an den ersten Anschluss (641) und das Abgleichsignal (606) an den zweiten Anschluss (642) anzulegen, wobei das Abgleichsignal (606) ausgeformt ist, um unabhängig davon, ob das von der Messspule (104) erzeugte magnetische Feld (108) auf das Probenvolumen (102) oder ein Referenzvolumen einwirkt, an der Messschnittstelle (643) eine vorbestimmte Referenzspannung einzustellen; und
    eine Auswerteeinrichtung (112), die ausgebildet ist, eine magnetischen Permeabilität des Probenvolumens (102) unter Verwendung des als Messsignals (110) auswertbaren Ableichsignals (606) zu analysieren.
  8. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, bei der das Probenvolumen (102) im Inneren der Messspule (104) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, mit einem Spulenkern (320), der durch die Messspule (104) geführt ist, wobei ein Ende des Spulenkerns (320) als eine Spitze zum Anlegen an das Probenvolumen (102) ausgeführt ist.
  10. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, mit einer Auswerteeinrichtung (112), die ausgebildet ist, um die magnetische Permeabilität des Probenvolumens (102) unter Verwendung des Messsignals (110) zu bestimmen.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der das erste Element (651) ein Kondensator oder eine elektrische Durchgangsleitung und das zweite Element (642) ein Widerstand, eine Spule oder eine elektrische Durchgangsleitung ist.
  12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, mit einer weiteren Messspule (404), die ausgebildet ist, um ansprechend auf ein Anlegen eines weiteren elektrischen Anregungssignals (406) an die weitere Messspule (404) ein auf ein weiteres Probenvolumen (502) einwirkendes weiteres magnetisches Feld (408) zu erzeugen, mit einer weiteren Messschnittstelle zum Erfassen eines von der Induktivität der weiteren Messspule (404) abhängigen weiteren elektrischen Messsignals (410), wobei das weitere Messsignal (410) aufgrund der Abhängigkeit der Induktivität der weiteren Messspule (404) von der magnetischen Permeabilität des weiteren Probenvolumens (502) eine Analyse der magnetischen Permeabilität des weiteren Probenvolumens (502) ermöglicht.
  13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei dem das Probenvolumen (102) und das weitere Probenvolumen (502) zumindest teilweise überlappen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013109467A1 (de) 2013-08-30 2015-03-05 MRB Forschungszentrum für Magnet - Resonanz - Bayern e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens
US10705162B2 (en) * 2015-12-03 2020-07-07 Lifeassays Ab Temperature controlled magnetic permeability detector
BE1023946B1 (fr) * 2016-03-14 2017-09-19 Safran Aero Boosters Sa Capteur de particules dans un fluide d'un systeme de lubrification
TWI607227B (zh) * 2016-11-03 2017-12-01 國立清華大學 材料電磁特性量測裝置以及其量測方法
CN106996967B (zh) * 2017-04-28 2023-08-22 成都哈工智传科技有限公司 磁性矿品位检测方法及检测设备
CN107941660B (zh) * 2017-10-26 2019-10-01 中国科学院电工研究所 一种磁颗粒检测系统的误差提取方法和装置
US20230146993A1 (en) * 2021-11-07 2023-05-11 Pall Corporation Wear detection system with metal debris sensor assembly
US20230143925A1 (en) * 2021-11-07 2023-05-11 Pall Corporation Method of monitoring with metal debris sensor assembly

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5001424A (en) * 1989-02-03 1991-03-19 Product Resources, Inc. Apparatus for measuring magnetic particles suspended in a fluid based on fluctuations in an induced voltage
US6110660A (en) * 1995-08-20 2000-08-29 The European Institute Of Science Ab Procedure for quantitative and qualitative determination of chemical substances, based on molecular recognition and measurement of magnetic permeability
JPH10104934A (ja) * 1996-09-27 1998-04-24 Tdk Corp 磁気的センサ
DE19906352A1 (de) * 1999-02-17 1999-07-22 Kilian Dr Hennes Nachweis- und Zählgerät für suspendierte biologische Partikel
RU2166751C1 (ru) * 2000-03-09 2001-05-10 Никитин Петр Иванович Способ анализа смеси биологических и/или химических компонентов с использованием магнитных частиц и устройство для его осуществления
CA2342023C (en) * 2000-04-10 2007-07-03 Randox Laboratories Ltd. Paramagnetic particle detection
JP2006090825A (ja) * 2004-09-24 2006-04-06 Citizen Watch Co Ltd 磁気免疫測定装置
CN101044980B (zh) * 2006-03-31 2011-07-06 株式会社东芝 磁场吸引防止装置
FI121248B (fi) * 2006-04-21 2010-08-31 Magnasense Technologies Oy Laite magneettisten partikkelien mittaamiseksi ja vastaava menetelmä
FI20085009L (fi) * 2007-05-25 2008-11-26 Magnasense Oy Laite ja kelajärjestely magneettipartikkelien mittaamiseksi ja vastaava menetelmä
JP5032247B2 (ja) * 2007-09-03 2012-09-26 株式会社東芝 磁性微粒子イメージング装置およびコイル配設方法
EP2250491A4 (de) * 2008-03-07 2013-06-26 California Inst Of Techn Magnetpartikelabtastung basierend auf der änderung der effektiven induktanz
US8378668B2 (en) * 2008-11-29 2013-02-19 General Electric Company Method for non-destructive testing of composite systems
JP5542466B2 (ja) * 2010-02-05 2014-07-09 日本電産サンキョー株式会社 磁気センサ装置
US8896293B2 (en) * 2010-12-23 2014-11-25 Qed Technologies International, Inc. Method and apparatus for measurement and control of magnetic particle concentration in a magnetorheological fluid
JP5774386B2 (ja) * 2011-06-28 2015-09-09 日置電機株式会社 インピーダンス測定装置
DE102013109467A1 (de) 2013-08-30 2015-03-05 MRB Forschungszentrum für Magnet - Resonanz - Bayern e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Analyse eines magnetische Partikel umfassenden Probenvolumens

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